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INSTRUMENTATION CAPTEURS ET TRANSMETTEURS

MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SI050 Révision 0

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

INSTRUMENTATION CAPTEURS ET TRANSMETTEURS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS.......................................................................................................................7 2. LE SIGNAL DE MESURE..................................................................................................8 2.1. DÉFINITION................................................................................................................8 2.1.1. Le signal analogique...........................................................................................8 2.1.2. Le signal numérique............................................................................................9 2.1.3. Signaux standard................................................................................................9 2.2. RÔLE DU CAPTEUR / TRANSMETTEUR...............................................................10 2.3. TECHNOLOGIE GÉNÉRALE D’UN CAPTEUR / TRANSMETTEUR......................10 3. LE TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE..........................................................................14 3.1. GÉNÉRALITÉS.........................................................................................................14 3.2. FONCTIONNEMENT................................................................................................14 3.2.1. Représentation..................................................................................................14 3.2.2. Le Circuit d’alimentation pneumatique..............................................................15 3.2.2.1. Le filtre.........................................................................................................15 3.2.2.2. Le détendeur................................................................................................15 3.2.2.3. Pannes.........................................................................................................16 3.2.3. Transformation d’une force en un signal pneumatique.....................................16 3.2.3.1. Le système buse palette..............................................................................16 3.2.4. Amplification du signal pneumatique................................................................17 3.2.4.1. Le relais pneumatique..................................................................................17 3.2.4.2. Fonctionnement...........................................................................................18 3.2.5. Assemblage.......................................................................................................18 4. LE TRANSMETTEUR ELECTRIQUE..............................................................................20 4.1. TRANSDUCTION A VARIATION DE RESISTANCE...............................................20 4.1.1. Potentiomètre....................................................................................................20 4.1.1.1. Inconvénients...............................................................................................20 4.1.1.2. Utilisation......................................................................................................21 4.1.2. Jauge de contrainte métallique.........................................................................21 4.1.2.1. Avantages et Inconvénients.........................................................................22 4.1.3. Jauge de contrainte à semi conducteurs..........................................................23 4.1.3.1. Avantages et inconvénients.........................................................................24 4.2. TRANSDUCTION A VARIATION D’INDUCTANCE.................................................25 4.2.1. Transformateur différentiel................................................................................25 4.3. TRANSDUCTION A VARIATION DE CAPACITANCE.............................................27 4.3.1. Condensateur variable......................................................................................27 4.3.2. Piézoélectricité..................................................................................................28 5. LE TRANSMETTEUR NUMERIQUE...............................................................................29 5.1. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT......................................................................30 5.2. RACCORDEMENT....................................................................................................31 5.2.1. Sans Réseau.....................................................................................................31 5.2.2. Avec réseau......................................................................................................32 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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5.2.3. Comparaison entre le transmetteur électrique et numérique...........................33 6. APPAREILS DE MESURE DE PRESSION.....................................................................34 6.1. INDICATEURS LOCAUX..........................................................................................34 6.1.1. Manomètres Hydrostatique...............................................................................34 6.1.1.1. Manomètre à Tube en U..............................................................................34 6.1.1.2. Manomètre à Tube en U Incliné..................................................................35 6.1.1.3. Réglages......................................................................................................36 6.1.1.4. Avantages et Inconvénients.........................................................................36 6.1.1.5. Erreur de lecture des liquides de tubes en U..............................................36 6.1.2. Manomètres à déformation de solides..............................................................38 6.1.2.1. Manomètre à tube de Bourdon....................................................................38 6.1.3. Manomètres avec séparateur...........................................................................44 6.1.3.1. Manomètre à membrane..............................................................................46 6.1.3.2. Manomètre à soufflet (Cellule de Barton)....................................................47 6.1.3.3. Manomètre à capsule..................................................................................48 6.1.3.4. Manomètre à pression différentielle.............................................................49 6.1.3.5. Montage.......................................................................................................50 6.1.3.6. Réglage........................................................................................................50 6.1.3.7. Mise en Service...........................................................................................53 6.1.4. Pressostat..........................................................................................................54 6.1.4.1. Réglage........................................................................................................55 6.2. ENREGISTREUR PNEUMATIQUE..........................................................................57 6.3. TRANSMETTEUR DE PRESSION...........................................................................58 6.3.1. Transmetteur Pneumatique de pression relative, absolue, différentielle..........58 6.3.2. Schémas de câblage simplifié...........................................................................60 6.3.2.1. Schéma transmetteur de pression relative ou absolue...............................60 6.3.2.2. Schéma transmetteur de pression différentielle..........................................60 6.3.3. Étalonnage........................................................................................................61 6.3.3.1. Réglage du zéro...........................................................................................61 6.3.3.2. Réglage de l’échelle de mesure..................................................................64 6.3.4. Transmetteur de pression électrique................................................................67 6.3.4.1. Représentation.............................................................................................67 6.3.4.2. Schémas de raccordement..........................................................................68 6.3.4.3. Étalonnage...................................................................................................69 6.3.5. Transmetteur de pression numérique...............................................................71 6.3.5.1. Étalonnage...................................................................................................72 6.3.6. Critères de choix des transmetteurs de pression.............................................75 6.3.7. Montage des transmetteurs de pression...........................................................75 7. DEBIT...............................................................................................................................76 7.1. RAPPELS..................................................................................................................76 7.2. INDICATEURS LOCAUX..........................................................................................79 7.2.1. Débitmètres à Ludion (Rotamètre)....................................................................79 7.2.1.1. Fonctionnement...........................................................................................79 7.2.1.2. Utilisation......................................................................................................80 7.2.2. Débitmètres à Turbine.......................................................................................80 7.2.2.1. Principe........................................................................................................80 7.2.2.2. Utilisation......................................................................................................81 7.2.2.3. Pannes.........................................................................................................82 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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7.2.2.4. Montage.......................................................................................................82 7.3. TRANSMETTEUR DE DÉBIT VOLUMIQUE............................................................82 7.3.1. Débitmètre utilisant la pression dynamique......................................................82 7.3.1.1. Tube de Pitot................................................................................................82 7.3.1.2. Sonde Annubar (ou de Burton)....................................................................84 7.3.2. Débitmètres à organes déprimogènes..............................................................87 7.3.2.1. Généralités...................................................................................................87 7.3.2.2. Venturi..........................................................................................................89 7.3.2.3. Diaphragme..................................................................................................90 7.3.2.4. Tuyère..........................................................................................................96 7.3.2.5. Comparaison des oranges déprimogènes...................................................96 7.3.3. Débitmètres à Ultra Son....................................................................................97 7.3.4. Débitmètres à Effet Vortex................................................................................99 7.3.5. Débitmètres Electromagnétique......................................................................101 7.4. TRANSMETTEUR DE DÉBIT MASSIQUE.............................................................104 7.4.1. Débitmètres massique thermique...................................................................104 7.4.2. Débitmètres à Effet Coriolis............................................................................106 7.5. COMPARATIF DES DIFFÉRENTS TYPES DE DÉBITMÈTRES...........................110 8. NIVEAU..........................................................................................................................111 8.1. GÉNÉRALITÉS.......................................................................................................111 8.1.1. Qu’est-ce qu’un niveau ?................................................................................111 8.1.2. Pourquoi mesurer un niveau ?........................................................................112 8.1.3. Comment mesurer un niveau ?.......................................................................114 8.1.4. Quelle méthode de mesure devons nous utiliser ?.........................................116 8.1.4.1. Suivre un niveau........................................................................................116 8.1.4.2. Déterminer un niveau V.............................................................................117 8.1.4.3. Déterminer une masse M..........................................................................117 8.2. MESURE DIRECTE................................................................................................118 8.2.1. Jaugeage.........................................................................................................118 8.2.1.1. Avantages et Inconvénients.......................................................................119 8.2.2. Niveau à glace.................................................................................................119 8.2.2.1. Niveau à glace à réflexion..........................................................................119 8.2.2.2. Niveau à glace à transparence..................................................................119 8.2.2.3. Comparaison..............................................................................................120 8.2.2.4. Maintenance...............................................................................................121 8.2.3. Niveau par Flotteur..........................................................................................121 8.2.3.1. Principe et Fonctionnement.......................................................................121 8.2.3.2. Avantages..................................................................................................124 8.2.3.3. Inconvénients.............................................................................................125 8.2.4. Niveau à Palette Magnétique..........................................................................125 8.2.4.1. Principe et fonctionnement........................................................................125 8.2.4.2. Caractéristiques.........................................................................................126 8.2.4.3. Avantages et Inconvénients.......................................................................126 8.2.4.4. Maintenance...............................................................................................127 8.3. MESURE INDIRECTE.............................................................................................127 8.3.1. Par la mesure de pression hydrostatique.......................................................127 8.3.1.1. Principe......................................................................................................127 8.3.1.2. Mesure de niveau sur un bac à ciel ouvert................................................127 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.3.1.3. Mesure de niveau sur un bac à ciel fermé.................................................129 8.3.1.4. Maintenance...............................................................................................129 8.3.2. Mesure de niveau par plongeur......................................................................131 8.3.2.1. Principe......................................................................................................131 8.3.2.2. Mesure dynamométrique...........................................................................133 8.3.2.3. Tube de torsion..........................................................................................134 8.3.2.4. Mesure d’un niveau interface.....................................................................135 8.3.2.5. Avantages et Inconvénients.......................................................................136 8.3.2.6. Maintenance...............................................................................................137 8.3.3. Niveau par palpeur électromécanique............................................................137 8.3.3.1. Avantages..................................................................................................138 8.3.3.2. Inconvénients.............................................................................................139 8.3.4. Niveau Bulles à Bulles....................................................................................139 8.3.4.1. Généralités.................................................................................................139 8.3.4.2. Principe......................................................................................................139 8.3.4.3. Avantages et Inconvénients.......................................................................140 8.3.4.4. Maintenance...............................................................................................140 8.3.5. Niveau Capacitif..............................................................................................141 8.3.5.1. Rappel........................................................................................................141 8.3.5.2. Principe......................................................................................................143 8.3.5.3. Liquide non conducteur..............................................................................143 8.3.5.4. Avec Liquide Conducteur...........................................................................146 8.3.5.5. Maintenance...............................................................................................147 8.3.5.6. Avantages et Inconvénients.......................................................................147 8.4. MESURE SANS CONTACT....................................................................................149 8.4.1. Niveau à Ultra-Son..........................................................................................149 8.4.1.1. Rappel........................................................................................................149 8.4.1.2. Principe......................................................................................................150 8.4.1.3. Descriptif....................................................................................................152 8.4.1.4. Avantages et Inconvénients.......................................................................154 8.4.2. Niveau Radar..................................................................................................155 8.4.2.1. Généralités.................................................................................................155 8.4.2.2. Principe......................................................................................................156 8.4.2.3. Niveau Radar classique.............................................................................158 8.4.2.4. Niveau Radar Tuboguidé (pour les liquides).............................................160 8.4.2.5. Radar Filoguidé (pour les liquides et les solides)......................................161 8.4.2.6. Avantages..................................................................................................162 8.4.2.7. Inconvénients.............................................................................................162 8.5. DÉTECTION DE NIVEAU.......................................................................................163 8.5.1. Détection par flotteur.......................................................................................163 8.5.2. Détection par Lames Vibrantes.......................................................................164 8.5.2.1. Avantages..................................................................................................165 8.5.2.2. Inconvénients.............................................................................................165 8.5.3. Détection à Palette Rotative............................................................................166 8.5.3.1. Avantages..................................................................................................167 8.5.3.2. Inconvénients.............................................................................................167 9. TEMPERATURE............................................................................................................168 9.1. RAPPEL..................................................................................................................168 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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9.1.1. Les unités et échelles de température............................................................168 9.1.2. Relation entre les unités..................................................................................169 9.2. THERMOMÈTRE À DILATATION..........................................................................171 9.2.1. Thermomètre à Dilatation de Liquide..............................................................171 9.2.1.1. Les principaux liquides thermométriques..................................................171 9.2.1.2. Nature de l’enveloppe................................................................................172 9.2.1.3. Loi de Variation..........................................................................................172 9.2.2. Thermomètre à dilatation de gaz....................................................................173 9.2.2.1. Principe......................................................................................................173 9.2.2.2. Gaz employés dans le thermomètre..........................................................174 9.2.2.3. Avantages et Inconvénients.......................................................................174 9.2.3. Thermomètre à tension de vapeur..................................................................174 9.2.3.1. Principe......................................................................................................174 9.2.3.2. Liquide de remplissage..............................................................................176 9.2.3.3. Avantages et inconvénients.......................................................................176 9.2.4. Thermomètre à Dilatation de Solide...............................................................177 9.2.4.1. Généralités.................................................................................................177 9.2.4.2. La bilame....................................................................................................177 9.3. THERMOMÈTRE ÉLECTRIQUE............................................................................179 9.3.1. Thermomètre à Résistance (Sonde pT100)...................................................179 9.3.1.1. Définition....................................................................................................179 9.3.1.2. L’élément sensible.....................................................................................183 9.3.1.3. Classe de tolérance...................................................................................184 9.3.1.4. Câblage......................................................................................................185 9.3.1.5. Constitution d’une sonde de Température................................................186 9.3.1.6. Le Transmetteur.........................................................................................189 9.3.2. Thermistance...................................................................................................190 9.3.3. Thermocouple (Type K, J)...............................................................................191 9.3.3.1. Principe......................................................................................................191 9.3.3.2. Les couples de matériaux..........................................................................192 9.3.3.3. Constitution d’un thermocouple.................................................................193 9.3.3.4. Montage et branchement...........................................................................193 9.3.3.5. Types de jonctions de mesure...................................................................194 9.3.3.6. Tableau de correspondance de la tension / température..........................195 9.3.4. Avantages et Inconvénients des Thermomètres électriques..........................199 9.3.5. Maintenance des thermomètres électriques...................................................199 9.3.5.1. Sonde platine (pT100)...............................................................................199 9.3.5.2. Thermocouple............................................................................................201 9.3.5.3. Etalonnage.................................................................................................202 9.3.6. Thermomètres Bimétalliques..........................................................................203 9.3.7. Pyromètre Optique..........................................................................................204 9.3.8. Pyromètres à radiation....................................................................................205 10. MONTAGE TRANSMETTEUR....................................................................................207 11. RACCORDEMENT ELECTRIQUE DES TRANSMETTEURS....................................208 12. SOMMAIRE DES FIGURES........................................................................................209 13. SOMMAIRE DES TABLEAUX.....................................................................................214

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1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de comprendre les bases de l’instrumentation sur un site industriel à dominance pétrolière. En fin de cours, dans le domaine des capteurs et transmetteurs, le participant devra être capable de : Connaître toutes les technologies de capteur transmetteur qui existent Savoir les régler Savoir les monter Savoir à quoi sert un transmetteur Connaître les différentes pannes d’un capteur transmetteur

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2. LE SIGNAL DE MESURE 2.1. DÉFINITION

Figure 1: Représentation graphique des signaux

2.1.1. Le signal analogique Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau, température. Forme : C'est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact. Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie.

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2.1.2. Le signal numérique Un signal est numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple : un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour. Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique. Exemple : température, débit, niveau.

2.1.3. Signaux standard Pneumatique

Signal pneumatique standard

200 – 1000 hPa 3 – 15 psi

Électrique

Signal électrique standard

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4 – 20 mA 1–5V

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2.2. RÔLE DU CAPTEUR / TRANSMETTEUR Le rôle du capteur est de capter une information, c'est-à-dire qu’il va donc prélever une grandeur physique par l’intermédiaire d’une prise d’impulsion de process et la traduire en une grandeur électrique ou pneumatique. Le rôle du transmetteur est de transmettre une information, il va donc récupérer une grandeur électrique ou pneumatique provenant de la sortie du capteur et la convertir en un signal standardisé exploitable par les appareils d’acquisition tels que les enregistreurs, les régulateurs ou les cartes d’entrées analogiques des systèmes de contrôle commande. Le capteur et le transmetteur associés forment un instrument de mesure capable de mesurer diverses grandeurs physiques (température, pression, etc…) qui sont indispensable au bon fonctionnement et au rendement d’un site industriel.

2.3. TECHNOLOGIE GÉNÉRALE D’UN CAPTEUR / TRANSMETTEUR Le capteur transmetteur est constitué de trois éléments principaux: Le corps d’épreuve : élément mécanique qui réagit par déformation ou déplacement. L’élément de transduction : élément sensible lié au corps d’épreuve. Il traduit les réactions du corps d’épreuve en une grandeur électrique ou pneumatique. Le Convertisseur : Son rôle est de transformer le déplacement mécanique (ou la déformation) en une grandeur pneumatique, électrique ou numérique standardisée pouvant être transmise à un récepteur (exemple : DCS ou régulateur local pneumatique). CORPS D’EPREUVE + ELEMENT DE TRANSDUCTION

CONVERTISSEUR OU AMPLIFICATEUR Figure 2: Schématisation d’un capteur transmetteur Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Pression ( P ) ∆P Températur e

MEMBRANE CAPSULE SOUFFLET

Déplacement ∆d

VARIATION INDUCTANCE JAUGE CONTRAINTE VARIATION CAPACITANCE BUSE PALETTE

∆L ∆R ∆C ∆P

CONVERTISSEUR AMPLIFICATEUR

200-1000 mbar

4-20 mA

Figure 3: Détail du capteur transmetteur La grandeur physique à mesurer en entrée du capteur est appelée « Mesurande », elle peut être suivant le cas : Une pression Un débit Une Température Un niveau Une analyse

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Cette Mesurande varie d’une valeur mini à une valeur maxi, il est préférable de parler en pourcentage de variation : le mini est à 0% et le maxi à 100%

Pour être comprise par les appareils récepteurs, cette information doit être mise sous une forme précise appelée SIGNAL qui est en l’occurrence le signal de sortie du transmetteur. Le signal de sortie du transmetteur peut être : 200mbar

600mbar

1000mbar

Une pression d’air 50%

4mA

12mA

20mA

Un courant électrique 50%

Le Numérique

Comme tout instrument de mesure un capteur transmetteur doit présenter certaines qualités: La précision : Elle définit l'écart entre la valeur réelle et la mesure. La fidélité : Plusieurs mesures d’une même grandeur doivent donner la même indication. La sensibilité : Plus la variation de l'indication est importante pour une variation faible de la grandeur mesurée, meilleure est la sensibilité. L'échelle de mesure : Les indications minimales et maximales du capteur doivent correspondre aux valeurs minimales et maximales de la grandeur à mesurer. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Il existe 3 types de transmetteurs (transducteurs) : Le Transmetteur Pneumatique Le Transmetteur Électrique Le Transmetteur Numérique

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3. LE TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE 3.1. GÉNÉRALITÉS Le transmetteur transforme les variations de la grandeur mesurée en une force ou un déplacement. Son rôle est de transformer cette force ou déplacement en un signal pneumatique qui pourra être transmis à un autre appareil le plus souvent sur un régulateur pneumatique en local. Ce signal devra avoir une puissance suffisante qui sera obtenue par un amplificateur intégré au transmetteur. On s’intéressera dans ce qui suit à la technologie des transmetteurs pneumatique dont le bon fonctionnement nécessite une parfaite alimentation en fluide moteur c'est-à-dire l’air instrument ou le gaz instrument.

3.2. FONCTIONNEMENT Le transmetteur pneumatique se décompose en 3 parties : Alimentation pneumatique (1,4 bar) Transformation d’une force en un signal pneumatique : Système buse palette Amplification du signal pneumatique : Relais pneumatique

3.2.1. Représentation

Figure 4: Représentation capteur pneumatique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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3.2.2. Le Circuit d’alimentation pneumatique A partir d’un réseau air ou gaz, l’alimentation d’un appareil pneumatique est toujours assurée par un filtre détendeur dont le rôle est de maintenir une pression constante quelle que soit la consommation de l’appareil en question.

3.2.2.1. Le filtre Il retient l’eau et les impuretés qui n’aurait pas été éliminé sur le réseau d’air ou de gaz instrument, celles-ci se déposent donc dans le godet du filtre et peuvent être purgées.

3.2.2.2. Le détendeur L’air ou le gaz au travers d’un orifice dont l’ouverture est commandée par un clapet, vient agir sur l’une des faces d’une membrane déformable dont l’autre face est soumise à l’action d’un ressort. La tension de ce ressort est réglage à l’aide d’une vis et va déterminer la pression de sortie d’air qui sera en général de 1,4 bar relatif.

Figure 5: Filtre Détendeur Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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3.2.2.3. Pannes Le godet du filtre peut se fissurer ou casser. Le godet est soit en plastique ou en verre. La purge peut rester bloquer

3.2.3. Transformation d’une force en un signal pneumatique 3.2.3.1. Le système buse palette Ce système commande un débit d’air par le moyen d’une palette mobile qui obture plus ou moins l’orifice de la buse de quelques dixièmes de millimètres. L’air arrivant à la pression constante P1, est détendu à la pression P2 par l’intermédiaire du réducteur Quand la palette s’éloigne de la buse nous avons la pression P2 qui devient nulle car l’air s’échappe à l’atmosphère. Figure 6: Système bus palette Lorsque la palette se rapproche de la buse, la pression P2 augmente. On en conclue donc que la variation de distance x entre la palette et la buse correspond à une variation de pression P2, donc ces variations sont proportionnelles aux rotations de la palette. Figure 7: Courbe du déplacement buse palette La zone A – B est utile car elle correspond à un déplacement maximal de la palette de 56 microns pour une variation de pression de 800 mbar. Nous pouvons observer qu’en dehors de cette zone, la pression P2 et le déplacement x ne sont plus linéaires. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Nous pouvons en déduire que la course de la palette est vraiment petite donc la sensibilité est très grande. Remarque : Comme nous le voyons sur la figure, le rôle du réducteur est de limiter le débit d’air en créant une perte de charge importante. Si le diamètre du réducteur est grand, la pression P2 et le débit d’air sont importants : La précision et la sensibilité sont mauvaises Si le diamètre est au contraire, très petit, la pression P 2 et le débit d’air sont faibles, donc nous en déduisons que le temps de réponse est grand. Le rapport entre la buse et la palette doit être parfaitement équilibré, car il a une influence sur la précision et la sensibilité de l’appareil. Généralement le diamètre du réducteur est de 1/3 ou 1/2 fois le diamètre de la buse.

3.2.4. Amplification du signal pneumatique 3.2.4.1. Le relais pneumatique

Figure 8: Le relais pneumatique

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3.2.4.2. Fonctionnement Comme l’air de sortie du système buse palette alimente un appareil pouvant être situé à grande distance et que le débit d’air passant à travers la restriction est faible, il est indispensable pour éviter un temps de mise en pression trop long de placer sur le circuit de sortie un amplificateur de débit appelé « relais pilote ou relais pneumatique» Un relais pilote est constitué d’une (ou plusieurs) membranes commandant la position du double clapet entre 3 orifices. Ceux ci sont en communication avec l’alimentation, l’atmosphère et le circuit de sortie. Quand la palette se rapproche de la buse, la pression buse augmente ce qui fait descendre la membrane et le double clapet fermant l’échappement vers l’atmosphère et ouvrant le clapet côté alimentation. Ceci provoque une augmentation importante du débit de sortie d’air et donc une transmission beaucoup plus rapide du signal de mesure vers l’appareil récepteur (régulateur, vanne ou enregistreur pneumatique).

3.2.5. Assemblage Quand on réunit les 3 éléments du transmetteur, nous nous apercevons qu’il manque quelque chose : c’est le soufflet de réaction. Ce soufflet va nous permettre de rajouter le réglage de zéro et d’étendue d’échelle sur le transmetteur. Tout ces éléments assemblés va nous constituer un appareil de mesure pneumatique : Le transmetteur pneumatique.

Figure 9: Le Transmetteur pneumatique

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A RETENIR Le transmetteur pneumatique est alimenté en 1,4 bar constant à l’aide d’un filtre détendeur. Le signal de sortie est de 0,2 – 1 bar ; 200-1000 mbar ; 3 – 15 psi. Le système buse palette transforme la force correspondant aux variations de la grandeur mesurée en un signal pneumatique. Le relais pilote amplifie le signal pneumatique de manière à diminuer le temps de transmission de la mesure (augmentation du débit d’air).

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4. LE TRANSMETTEUR ELECTRIQUE L’élément de conversion traduit les déformations subies par l’élément sensible en un signal électrique. Nous allons décrire les différents types de transducteur dans les chapitres suivant.

4.1. TRANSDUCTION A VARIATION DE RESISTANCE 4.1.1. Potentiomètre

Figure 10: Potentiomètre Le déplacement modifie la position du curseur d’un potentiomètre R alimenté sous une tension constante U0. La tension variable définie par la position du curseur U est ainsi proportionnelle au déplacement d.

4.1.1.1. Inconvénients Frottement solide du curseur sur le potentiomètre Variation des performances en fonction de l’état d’usure du potentiomètre. (Usure due aux poussières, vibrations, pulsations de pression) Durée de vie limitée Linéarité insuffisante Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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4.1.1.2. Utilisation Dans les capteurs de prix bon marché Principe abandonné par les constructeurs

4.1.2. Jauge de contrainte métallique Sous sa forme la plus simple, une jauge est constituée d’un très fin fil (2 microns) conducteur collé sur un support. Cette feuille très mince est arrangée suivant la forme de la figure. Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée. Figure 11: Constitution d’une jauge de contrainte La résistance d’un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet :

R

L s

R : la résistance électrique  : la résistivité du matériau L : la longueur du fil s : la section du fil En prenant le logarithme népérien et la différentielle de chaque membre et en considérant que les paramètres varient très peu lors de la mesure, on obtient la relation

R  L s    R  L s R L R  KL Où K est appelé le facteur de jauge (le plus proche de 2 pour le constantan). Les jauges de grandes dimensions (100 mm) sont également utilisées pour des mesures de déformations sur des matériaux hétérogènes, tel que le béton (attention à la taille des granulats). La méthode la plus précise pour mesurer une variation de résistance consiste à placer la jauge dans un pont de Wheatstone. Lorsqu’un pont est constitué de 4 résistances de valeur égale et alimenté par une source de tension (E) constante aux points C et D, on Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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obtient par symétrie, une différence de potentiel nulle entre les points A et B. Si la résistance R1 varie légèrement, ce déséquilibre est mesuré par le galvanomètre (e0). On vérifiera facilement que R1 et R3 agissent dans le sens positif (augmentation de la résistance) tandis que R2 et R4 agissent dans le sens contraire. Figure 12: Pont de Wheatstone en équilibre

 e0    E

R1



R4





R1  R2

R4  R3

Il est composé de quatre jauges actives (pont complet). Ce dernier montage est le montage le plus couramment utilisé pour les capteurs (force, pression, couple, déplacement). Pour les autres types de pont, veuillez vous référer au cours appareils et mesures électriques.

4.1.2.1. Avantages et Inconvénients Délivre un signal analogique fonction de la déformation de la jauge sous la pression Traitement d'un signal faible et influence de la température augmente la complexité et le coût du capteur Précision : 0,5 à 2% de l’étendue de mesure (bonne précision) Faible sensibilité aux vibrations et à la température (avantages) Signal de sortie faible de l’ordre de quelques mV (inconvénients)

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4.1.3. Jauge de contrainte à semi conducteurs Ce type de capteur est aussi appelé jauge semi-conductrice. Le signal obtenu avec les jauges extensiométriques diffusées à couches minces ne dépasse guère une vingtaine de millivolts pour l'étendue de mesure nominale d'un capteur. Il peut être décuplé avec des jauges à piézorésistances diffusées dans un substrat de silicium, ce dernier étant utilisé directement pour la constitution du corps d'épreuve, membrane ou barreau dynamométrique, par exemple. Le silicium a été choisi en raison de la parfaite élasticité de ses monocristaux assurant une hystérésis négligeable et, aussi, à cause de ses propriétés semi-conductrices et piézorésistances permettant la réalisation in situ, par diffusion "planar" d'un ensemble de jauges pouvant former un pont. Le substrat cristallin assurant la conversion de la pression appliquée en contraintes internes est du type N. Les impuretés du type P sont diffusées dans les zones dont l'orientation par rapport aux axes cristallins assure une bonne sensibilité par la combinaison des contraintes développées par la déformation du substrat.

Figure 13: Jauge semi-conductrice Les jauges sont implantées de manière à ce que les variations de résistance en fonction des contraintes internes restent égales et de signe oppose pour les deux paires de jauges. Par exemple pour une implantation de quatre jauges : R1 = - R2 = R3 = - R4 = R La tension vm aux bornes de la diagonale de mesure d'un pont alimenté à courant constant I est : vm = I / 4 . (R1 - R2 + R3 - R4) = I . R La variation relative de résistance en fonction de la contrainte  ayant pour expression : R / R0 =  .  Ou  est le coefficient de piézorésistivité du cristal (4.10-10 m2/N par exemple). Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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La tension de mesure peut encore s'écrire : vm =  . I . R0 .  La sensibilité peut varier de 0,1 à 3 mV/mbar, pour les basses pressions, suivant la géométrie de la membrane et l'intensité I, et de 0,2 à 12,5 mV/bar pour des pressions allant de quelques centaines de millibars à quelques centaines de bars. Pratiquement cela correspond à un signal de 100 à 300 mV pour l'étendue de mesure. Utilisables entre –40°C et +125°C les capteurs à jauges diffusées peuvent être compensés en température par un choix convenable du taux de dopage en impuretés ,du moins dans des limites définies,-20°C +80°C par exemple. On peut également compenser les variations thermiques des résistances des jauges en introduisant dans le conditionneur un dispositif de correction commandé grâce à une sonde de température JT diffusée à cette fin dans la membrane en plus des jauges.

4.1.3.1. Avantages et inconvénients Avantages : très faibles dimensions masse quasi nulle : possibilité de réaliser des membranes de diamètre de l'ordre du millimètre; insensibilité aux vibrations et chocs Inconvénient : Sensibilité à la température qui est limitée à 150'C

Figure 14: Capteur pièzorésistif

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4.2. TRANSDUCTION A VARIATION D’INDUCTANCE 4.2.1. Transformateur différentiel Dans les capteurs de pression à variation d’inductance on utilise, essentiellement, la variation de la réluctance (équivalent magnétique de la résistance électrique), par modification, suivant le cas d’un ou de plusieurs entrefers. Les capteurs à réluctance variable utilisent généralement des circuits symétriques. La figure montre l’association d’un tube de bourbon vrillé avec un circuit magnétique. Figure 15: Circuit magnétique avec tube de bourdon vrillé L’armature de ce circuit, étant lié à l’extrémité libre du tube, tourne autour de son point de fixation lorsqu’on applique une pression. Cette rotation entraîne une variation différentielle des entrefers +∆e et -∆e. La variation des inductances L1 et L2 sont converties en un signal de mesure au moyen d’un montage en pont associant ces inductances ou simplement avec deux demi secondaires d’un transformateur d’entrée avec un équipement de courant porteur.

Figure 16: Montage en demi pont

Figure 17: Montage push-pull

Le montage push-pull est une association en pont de deux circuits magnétiques. On trouve également des capteurs à variation de mutuelle induction. Dans ce montage, on fait en général varier le couplage entre deux enroulements secondaires S 1 et S2 et deux enroulements primaires en série P1 et P2 parcourus par un courant alternatif. Cette variation de couplage est effectuée en différentiel. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Le déplacement axial du noyau central N, obtenu au moyen de deux membranes de guidage M, fait varier en sens inverses les entrefers e1 et e2. La réluctance du circuit varie et modifie le couplage entre primaire et secondaire. Les fem induites varient en sens inverse et proportionnellement au déplacement. Figure 18: Constitution capteur à mutuelle induction Ces fem, après redressement, sont opposées dans le circuit de mesure comportant un galvanomètre ou un enregistreur.

Figure 19: Circuit de mesure (mutuelle induction) Critères : Précision : 0.5 à 2% de l’étendue de mesure Signal de sortie important (100 à 400mV) Sensible aux vibrations, chocs, champ magnétique. L’alimentation doit être stabilisée en amplitude et fréquence

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4.3. TRANSDUCTION A VARIATION DE CAPACITANCE 4.3.1. Condensateur variable Le déplacement des membranes entraîne une variation relative de la capacité des condensateurs La variation correspondante est mesurée par un pont, dont le déséquilibre est amplifié et transformé en un courant proportionnel

Figure 20: Cellule capacitive La pression à mesurer est transmise par l’intermédiaire de membranes isolantes et de l’huile de silicone à une membrane détectrice située au centre de la cellule de mesure. Cette membrane déformable se déplace par suite de la pression différentielle à laquelle elle est soumise. Sa position est détectée par les plaques de condensateur disposées de part et d’autre de la membrane. La différence de capacité entre la membrane sensible et les plaques du condensateur est convertie électriquement en un signal courant (4-20mA en deux fils).

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Critères : la capacité électrique varie en fonction de la déformation de la membrane mesure des très faibles pressions excellent temps de réponse

4.3.2. Piézoélectricité Les structures piézo-électriques utilisées comme corps d’épreuve assurent directement la transformation de la contrainte, produite par l’application d’une force F, en une charge électrique Q.

Figure 21: Structure piézo-électrique tubulaire Des structures piézo-électriques tubulaires ont été développées sous forme de câble coaxial blindé. Elles permettent la mesure de faibles variations de pressions en milieu haute pression ou pour le contrôle de trafic. Avantages: Excellente réponse en fréquence ; Miniaturisation. Inconvénients: Sensibilité à la temperature ; Nécessite un câble de liaison de faible bruit.

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5. LE TRANSMETTEUR NUMERIQUE Le transmetteur numérique est de plus en plus utilisé de nos jours car il est facile à paramétrer, nous pouvons le paramétrer avec une petite console de programmation ou avec un ordinateur (via modem spécifique). HP

BP

Oscillateur & Démodulateur

Convertisseur A/N

Signal 4 à 20 mA Microprocesseur • Linéarisation • Chgt. échelle • Unités • Amortissement • Diagnostique • Communications • Position repli • Correction linéarité

S

Convertisseur N/A

Communication numérique

EEPROM • Constantes Linéarité • Constantes EM • Conf. transmetteur

Z

Micro console

Figure 22: Représentation transmetteur numérique

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5.1. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT La grande spécificité du transmetteur numérique, c’est que nous pouvons entièrement le configurer à l’aide d’une console de programmation qui utilise divers protocoles de communication (smart, hart; etc) ou d’un PC via un modem type FSK (Frequency Shift keying) en RS232 ou RS485. Le transmetteur numérique est constitué à l’identique d’un transmetteur électrique sauf qu’il possède une électronique interchangeable avec eeprom associée. Vous pouvez sauvegarder toute la configuration du transmetteur dans la eeprom, ceci est pratique quand vous devez changer l’électronique car vous n’avez plus qu’à mettre la eeprom et la charger dans le transmetteur et le tour est joué. L’Électronique de celui-ci est muni d'un module de communication et d'un microprocesseur. Le microprocesseur gère tous les calculs en fonction de la configuration qui lui est donnée par l’homme et le signal électrique du corps d’épreuve. Il nous permet de filtrer la mesure, de diagnostiquer le corps d’épreuve, de calculer quand le capteur est en position de repli et nous le signaler, etc…. Le module de communication nous permet de communiquer avec le transmetteur via console de programmation ou PC sans perturber le signal de mesure (4-20mA). Vous pourrez le rencontrer avec ou sans afficheur LCD. Vous avez toujours deux bouton de réglage (zéro et échelle de mesure).

Figure 23: Divers transmetteurs numérique dit « intelligent »

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5.2. RACCORDEMENT 5.2.1. Sans Réseau

Alim. 24 Vdc +RL = 250 

+

PT

4 - 20 mA

-

PR

+

Micro console

+

PIC

Figure 24: Raccordement transmetteur sans réseau Il est impératif de rajouter une résistance de 250 ohm en série sur la boucle courant (4-20 mA). Ceci s’explique car dans la plupart des cas si nous n’avons pas mis de résistance en ligne, la console de programmation de détecte pas notre transmetteur. La console de programmation permettra de configurer le transmetteur et de l’étalonner. Comme pour les autres types de transmetteurs cités dans les chapitres précédents, il y a un réglage de zéro et d’échelle de mesure.

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5.2.2. Avec réseau COUPLEUR FIBRE/ETHERNET

STATION OPERATEUR

MODEM TYPE FSK

TRANSMETTEURS HART

Résistance 250 ohms

COUPLEUR PROFIBUS/FIBRE

Figure 25: Raccordement transmetteur avec réseau Le modem FSK est compatible au réseau de maintenance, il a pour principe d’établir une communication à modulation de fréquence (voir cours MESURE) Pour établir cette communication, une résistance de 250 ohms est impérative. Remarque : Avec un PC connecté sur le réseau PROFIBUS, équipé d’un modem FSK (avec câble série +SUB D 9 broches) et une résistance de 250 ohms sur le signal 4-20 mA : Nous pouvons accéder à tous les paramètres du transmetteur désiré.

Figure 26: Câblage modem « FSK »

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5.2.3. Comparaison entre le transmetteur électrique et numérique Analogique

Numérique

Précision

Compensation onéreuse

Compensation par mesure perturbations externes

Connexion

Une ligne par transmetteur

Une ligne pour plusieurs transmetteurs (réseau)

Données

Sur 4 à 20 mA

Stockées dans mémoire du transmetteur

Communication

Aucune, seule la lecture de la Bidirectionnelle (lecture et configuration mesure est possible des paramètres)

Auto-test

Sur 4 à 20 mA

Sur boucle de mesure (capteurs, transmetteurs et récepteurs)

Diagnostique

Diagnostique sur site

Diagnostique à partir station / microconsole

Protocole communication

Aucun Normalisation du 4 à 20 mA

HART

Table 1: Comparaison entre transmetteur électrique et numérique

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6. APPAREILS DE MESURE DE PRESSION 6.1. INDICATEURS LOCAUX 6.1.1. Manomètres Hydrostatique 6.1.1.1. Manomètre à Tube en U Avec ce type de manomètre, nous allons mesurer la pression statique d’un fluide au repos. Lorsqu’on veut déterminer une pression statique en un point, elle est tout simplement égale à la hauteur qui se trouve au dessus de ce point. Les liquides principalement utilisés sont de l’huile de vaseline colorée en rouge, de l’eau colorée en vert. Le mercure ne s’utilise quasiment car il est devenu interdit.

Figure 27: Principe du manomètre à tube en U Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Pour mieux comprendre le principe, nous allons mettre dans ce tube de l’eau colorée dont nous connaissons bien la masse volumique. Et nous remarquons qu’à la pression atmosphérique (Figure A), nous avons la même hauteur de liquide manométrique des deux côtés du tube. Ceci est logique puisque la pression atmosphérique agit de la même façon sur le côté gauche ou droit. Par contre, si l’on applique une pression P du côté gauche il va se créer un déséquilibre car il y aura plus de pression sur le côté gauche que sur le côté droit. La différence entre les niveaux des deux tubes est maintenant de « h ». Ainsi, à l’aide d’un manomètre en « U », à la simple lecture de h, on en déduit la pression statique. Ce qu’il faut retenir est donc : ΔP = ρ g h Rappel : g = accélération pesanteur = 9,81 m/s2 ΔP: pression hydrostatique en pascal (Pa) h: hauteur de liquide en mètre : masse volumique du liquide en kg/m3

6.1.1.2. Manomètre à Tube en U Incliné L'inclinaison apporte un facteur amplificateur pour la lecture de la variation de hauteur de liquide (L>h). Ce dispositif est appelé "Tube de Péclet". Il est utilisé pour la mesure de faibles pressions ou de faibles dépressions (surpression de locaux, pression de foyer de four, tirage de cheminée).

P h h = L.sin P = .g.L.sin

Figure 28: Manomètre à Tube Incliné

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6.1.1.3. Réglages Sur ce type d’appareil de mesure, nous avons qu’un seul réglage à effectuer avant de procéder à une mesure de pression statique: c’est le réglage du zéro. Il s’effectue à l’aide d’une molette qui se trouve sur la réglette graduée du tube en U. Et il ne faut pas oublier qu’un manque d’eau dans la colonne de liquide peut arriver. Exemple : Un instrumentiste sortant de l’école veut vérifier un capteur de pression avec une petite échelle de mesure dans un atelier. Il applique une pression plus grande que celle correspondant à la hauteur de liquide maximum du tube en U, et bien l’eau qui se trouve dans le tube va s’échapper du côté où nous avions laisser à la pression atmosphérique.

6.1.1.4. Avantages et Inconvénients Avantages : Bonne précision, on peut dépasser 0,1 %. Bonne stabilité. Construction simple et peu coûteuse. Inconvénients : Encombrant et fragile. Ils sont sensibles à la température et aux vibrations. Les tubes doivent être parfaitement calibrés. Les liquides visqueux, malpropres, les tubes gras, sont des causes d’erreurs. Ces appareils ne traduisent pas la pression mesurée en un signal analogique exploitable en régulation industrielle.

6.1.1.5. Erreur de lecture des liquides de tubes en U Certains liquides sont dits "mouillants" (eau, huile) car ils ont tendance à s'élever contre les parois des récipients qui les contiennent. Ils donnent lieu à un ménisque concave. D'autres liquides ne sont pas mouillants (mercure) et le point de contact avec la paroi à tendance à descendre au dessous du niveau. Ils donnent lieu à un ménisque convexe. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Ménisque concave

Ménisque convexe

h

h

Eau, huile

Mercure

Figure 29: Ménisque Concave et Convexe

Figure 30: Exemples de Tube en U Droit et Incliné Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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6.1.2. Manomètres à déformation de solides 6.1.2.1. Manomètre à tube de Bourdon Le tube de Bourdon est brasé, soudé ou vissé avec le support de tube qui forme généralement une pièce complète avec le raccord. Par l'intermédiaire d'un trou dans le raccord, le fluide à mesurer passe à l'intérieur du tube. La partie mobile finale du tube se déplace lors de changement de pression (effet Bourdon). Ce déplacement qui est proportionnel à la pression mesurée, est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. Le système de mesure, le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier.

1. Organe moteur, tube de Bourdon. 2. Support de tube. 3. Capuchon du tube. 4. Secteur denté. 5. Biellette. 6. Engrenage. 7. Aiguille. 8. Cadran.

Figure 31: Descriptif du Manomètre à Tube de bourdon Les manomètres à tube de Bourdon sont utilisés pour la mesure de pressions positives ou négatives de fluides gazeux ou liquides, à condition que ceux-ci ne soient ni hautement visqueux ni cristallisant. Les étendues de mesure s'étalent sur toutes les plages de 0,6 bar à 4000bar. Pour les pressions jusqu’à 40 bar, on utilisé en général des tubes coudés à 270° (forme d’arc) et pour des pressions supérieures on utilisé des tubes à plusieurs spires (forme hélicoïdale). Figure 32: Représentation de la forme spirale et hélicoïdale Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Très souvent le manomètre est choisi avec une étendue de mesure égale à deux fois la pression de service nominale. Les appareils sont fabriqués avec le raccordement vertical ou arrière. Il convient de les protéger contre les risques de surpression ou de dépassement d'échelle. Le tube de Bourdon ne permet pas de mesurer les phénomènes rapides et évolutifs de pression. Ce type de manomètre est le plus fréquemment utilisé sur les sites industriels car on peut l’utilisé aussi bien pour les basses pressions et pour les hautes pressions. Ils sont raccordés au procédé en ½ pouces Gaz. Quand on vous parle de DN d’un manomètre, ceci est la diamètre du cadran (le plus courant est de diamètre 100mm). L’élément de mesure est généralement en alliage cuivre (ex : laiton) ou en alliage acier (ex : Inox), cela dépend des pressions utilisées. Figure 33: Exemple de Manomètre à tube de bourdon Maintenance : Précaution d’installation d’un manomètre : Avant d’installer un manomètre il faut s’assurer qu’il n’y ait pas: De vibrations. De coups de bélier sur le procédé. De température de fluides très élevée De montées anormales de pression De fluide fortement visqueux, se cristallisant ou contenant des particules solides. Pour éviter les vibrations, le plus simple est de prévoir un support à proximité de la conduite en reliant la prise d’impulsion et le manomètre par un flexible rigide ou alors installer un manomètre à bain de glycérine pour ce type d’application car en remplissant celui-ci par de la glycérine (huile), on protège le mécanisme.

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Figure 34: Montage contre les vibrations Capsule de remplissage d’huile

Bain d’huile

Figure 35: Manomètre antivibratoires (bain d’huile)

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Pour les températures de fluides très élevées (ex : vapeur d’eau), le plus souvent nous utilisons des siphons de refroidissement. Aussi appelé « col de cygne » sur les chantiers, en fait la vapeur d’eau se condense dans le siphon et devient un liquide froid poussé par la pression de la conduite : image de la mesure de pression du procédé.

Figure 36: Exemple Siphon de refroidissement et montage Pour les coups de bélier, nous installons un manomètre avec un amortisseur de pulsations

Figure 37: Montage manomètre avec amortisseur de pulsations

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Pour les fluides fortement visqueux, agressifs, se cristallisant ou contenant des particules solides, il convient de monter des séparateurs en amont du manomètre. Ils permettent d’éviter la pénétration du fluide dans la cellule de mesure.

Figure 38: Montage manomètre avec séparateur Pour les montées anormales de pression, nous installons un manomètre avec séparateur et limiteur de pression

Figure 39: Montage manomètre avec séparateur limiteur

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A RETENIR Vibrations = flexible ou mano bain d’huile Fluides corrosifs = séparateur Fluides chaud (vapeur) = siphon de refroidissement Surpression = séparateur limiteur Coup de bélier = amortisseur de pulsation

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6.1.3. Manomètres avec séparateur Qu’est-ce qu’un séparateur ? Un séparateur est une membrane qui reçoit directement la pression du procédé et la transmet à l’organe de mesure via un fluide de transmission. Quand utiliser un séparateur ? Il faut utiliser un séparateur : Pour des liquides visqueux ou chargés car ils risquent d’obstruer l’organe de mesure. Pour des fluides corrosifs car ils risquent de favoriser la rupture de l’organe de mesure. Pour des fluides toxiques comme cela le séparateur constitue une barrière supplémentaire entre le fluide et l’atmosphère. Raccordement au procédé

Famille

Plastique

Pression maximale

10 bar Raccord fileté

Monobloc

Acier

Observation

Le plus économique Présence de volumes morts

250 bar

Pas nettoyables

Monobloc Raccord fileté

600 bar

Sans flasque intérieur Pas de volume mort

Membrane affleurante

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Famille

Raccordement au procédé

Pression maximale

Raccord fileté

400 bar (option jusqu’à 1000 bar)

Observation

Volumes morts importants Possibilité de nettoyage (Option anneau de nettoyage)

Standard

Peu répandus Raccord fileté

1000 bar

Pour des conduites ou des process à encombrement réduit

Sonde

Très répandus Brides

250 bar

Pour les fluides visqueux, chargés, corrosifs Possibilité de membrane affleurante, de calorifugeage, de divers revêtements

A brides

Brides Vis …

Membrane cylindrique creuse sans aucune zone de rétention 40 bar

Tubulaire

Pour les process nécessitant un nettoyage ou une stérilisation en place (NEP/SEP)

Sans flasque inférieure Clamp Din …

Sans volume mort

40 bar

Spécifique au process alimentaires ou pharmaceutiques

Alimentaire

Table 2: Principaus types de séparateurs Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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6.1.3.1. Manomètre à membrane Le séparateur à membrane est le plus utilisé sur les sites industriels.

Figure 40: Manomètre à membrane La membrane est tendue entre deux brides. Par un trou dans le raccord, le fluide à mesurer arrive dans la chambre de pression en dessous de la membrane. La membrane se déplace sous l'effet de la pression. Le déplacement de la membrane est proportionnel à la pression mesurée et est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. Afin d'être protégés contre des détériorations, le système de mesure, le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier. En cas de risque de corrosion due à des fluides agressifs, on peut protéger toutes les parties en contact avec le fluide par enduction de plastique ou par un film de protection. Cette technologie à membrane est aussi très utilisée avec les transmetteurs électriques de pression. La seule précaution à prendre est qu’il faut éviter les variations de température car le métal de la membrane peut se dilater et ainsi donner naissance à des erreurs de lecture pouvant être négligeable.

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6.1.3.2. Manomètre à soufflet (Cellule de Barton)

Figure 41: Manomètre à soufflet Le principe de mesure de la pression absolue est indépendant de la forme de l'organe moteur. La pression du fluide à mesurer est mesurée par rapport à une pression de référence qui doit être égale à la pression absolue (vide absolu). C'est à dire le côté de l'organe moteur qui n'est pas en contact avec le fluide à mesurer doit se trouver à cette pression de référence. Selon la forme de l'organe moteur, on l'atteint en évacuant et étanchéifiant soit une chambre de référence soit le boîtier enrobant le système. La transmission du mouvement de l'organe moteur s'effectue comme pour les manomètres pour pression relative. Les soufflets sont très utilisés dans les transmetteurs pneumatique, régulateurs pneumatiques et positionneurs et sont moins sensibles avec une étendue de mesure supérieure aux membranes. Les manomètres à soufflet sont utilisés pour la mesure de pression sans subir les variations de la pression atmosphérique environnante. Les étendues de mesure possibles s'étalent sur toutes les plages selon DIN de 0...10 mbar à 0...100 bar absolue.

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6.1.3.3. Manomètre à capsule Il est utilisé pour mesure de pression atmosphérique. On l’appelle aussi « manomètre à diaphragme ».

1. Support de l'organe moteur. 2. Organe moteur, la capsule. 3. Biellette. 4. Mouvement. 5. Aiguille. 6. Cadran.

Figure 42: Manomètre à capsule La capsule est montée sur le raccord soit directement, soit par l'intermédiaire d'un tube métallique ou par un trou dans le raccord le fluide à mesurer passe à l'intérieur de la capsule. Sous l'effet de la pression les demi-parties de la capsule se bombent. Ce déplacement proportionnel à la pression mesurée est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. Afin d'être protégés contre des détériorations, le système de mesure, le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier. Les manomètres à capsule sont utilisés pour la mesure de faibles et très faibles pressions positives ou négatives, spécialement pour des fluides gazeux. Il y a certaines restrictions pour la mesure de liquides. Les étendues de mesure possibles s'étalent sur toutes les plages selon DIN de 0... 2,5 mbar à 0. . . 600 mbar. Les organes moteurs à capsule sont une forme spéciale de membrane. Ils comportent deux membranes ondulées concentriquement, assemblées de façon étanche en une capsule. Pour les étendues de mesure très basses il est possible d'assembler plusieurs capsules pour en faire un genre de soufflet. Pour les appareils type de profil on utilise un soufflet conventionnel. Les appareils sont fabriqués soit avec la capsule montée verticalement (parallèle au cadran), soit horizontalement (perpendiculaire au cadran). Le raccordement se fait en dessous ou à l'arrière.

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6.1.3.4. Manomètre à pression différentielle La différence de pression entre les deux parties provoque un mouvement de la capsule. Ce déplacement proportionnel à la différence de pression mesurée est transmis, par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille sur le cadran en tant que valeur de pression différentielle. Les deux pressions individuelles ne sont pas affichées

1. Organe moteur, la membrane 2. Chambre de mesure (-) 3. Chambre de mesure (+) 4. Chambre de mesure 5. Soupape double 6. Biellette. 7. Levier de transmission. 8. Axe d'entraînement 9. Tube de torsion. 10. Mouvement.

Figure 43: Manomètre à pression différentielle

Il est principalement utilisé pour des mesures d’encrassement de filtre, des contrôles de pompe (différence entre pression aspiration et refoulement), etc...

Figure 44: Exemple manometer à pression différentielle

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6.1.3.5. Montage Pour monter l’appareil il faut le matériel suivant : Ruban de téflon (PFTE)

Figure 45: Ruban de Téflon

Clefs adéquates pour pouvoir serrer l’appareil sur sa tuyauterie Selon les sites d’exploitation et les standards de montage préconisés, des robinets d’isolement, (un pour isoler l’appareil et un deuxième pour pouvoir purger l’appareil). Figure 46: Exemple de robinets d’isolement Remarque : Si vous montez un manomètre sur une tuyauterie basse pression, vous utiliserez du téflon à mettre en sens inverse des aiguilles d’une montre sur le raccord du manomètre. Si vous montez cet appareil sur une tuyauterie haute pression, là il faut utiliser de la fillasse de chanvre avec un tube de PLASTEX. Ceci a pour but que l’appareil de mesure soit bien étanche au niveau du raccordement process.

6.1.3.6. Réglage Réglage du zéro : Dans un premier temps, il faut fermer le robinet d’isolement prévu à cet effet et détendre l’instrument avec le robinet de purge. En effectuant cette manoeuvre, vous pouvez à présent vérifier le manomètre.

Figure 47: Réglage manomètre

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Plusieurs cas de figures peuvent se présenter : L’aiguille ne se trouve pas sur le zéro, l’aiguille se trouve au maximum d’échelle : c’est que l’élément de mesure a subi une déformation permanente et il est donc préférable de changer le matériel. L’aiguille est un peu décalée du zéro, vous avez une petite vis de réglage qui vous permet de remettre le manomètre sur le zéro. Nous allons regarder le réglage à l’aide d’un dessin, ce sera plus simple à comprendre. Erreur de 0,5 bar

Un petit coup de tournevis sur la vis de réglage du zéro :

Figure 48: Exemple de reglage du zéro avec un manomètre de 0-4 bar L’aiguille se trouve exactement sur le zéro, et bien c’est parfait vous n’avez plus qu’à remettre l’appareil en service et déclarer le manomètre comme conforme.

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Réglage de l’échelle : Il faut amener le manomètre dans un atelier instrumentation ou prendre un générateur de pression portatif étalon, et vérifier en appliquant pour notre cas (manomètre 0-4 bar) une pression maxi de 4 bar.

Erreur échelle trop basse

Prendre un tournevis et à l’aide de la vis de réglage d’échelle, ramener l’aiguille jusqu’à 4 bar.

Figure 49: Exemple de reglage de l’échelle avec un manomètre de 0-4 bar Après ces manipulations, vous êtes un super régleur de manomètres car pour toutes les autres de technologie : le réglage est le même. Pour les « perfectionnistes », il nous reste un dernier réglage à voir : c’est le réglage de la linéarité.

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Réglage de linéarité : Ce petit schéma nous fait tout comprendre facilement. Pour vérifier le réglage, il faut appliquer 4 pressions à la compression et décompression de l’instrument et tracer la courbe des résultats obtenus de l’affichage du manomètre.

Figure 50: Réglage de la linéarité

Sur l’exemple pour : 1 bar nous devons retrouver 1 bar (25% de l’échelle) 2 bar nous devons retrouver 2 bar (50% de l’échelle) 3 bar nous devons retrouver 3 bar (75% de l’échelle) 4 bar nous devons retrouver 4 bar (100% de l’échelle) Si nous n’obtenons pas de bons résultat il faut jouer avec la vis de linéarité pour rattraper tous les points de mesure qui ne sont pas correct.

6.1.3.7. Mise en Service Les robinets d’isolement ne doivent être ouvert que lentement pour éviter les coups de pression lors de la mise en service.

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6.1.4. Pressostat Les appellations en « stat » (pressostat, thermostat, etc…) désignent des appareils déclenchant un contact à une valeur préréglée de la grandeur mesurée. C’est un appareil qui ne sert pas en régulation mais en sécurité ou alarme. Figure 51: Exemple de pressostat

Figure 52: Descriptif du pressostat

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6.1.4.1. Réglage Régler un pressostat c’est : Choisir la pression à laquelle le pressostat doit déclencher (à l’aide de la vis de réglage – voir figure). Appliquer une pression restant dans l’étendue d’échelle du capteur et vérifier si le contact change bien d’état à la pression voulue. Exemple de réglage :

Figure 53: Exemple réglage pressostat Admettons que nous voulons régler sur un process, un pressostat à une pression de 5 bar. Ne pas oublier de raccorder à l’aide d’un flexible et de raccords appropriés, la sortie du détendeur au pressostat.

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Procédure de réglage : J’allume mon multimètre en ohmmètre et je me mets aux bornes du contact. J’applique une pression sur le pressostat Je vérifie si mon contact a bien changé d’état Je vais prendre pour exemple avec un contact normalement fermé (NC) en appliquant aucune pression sur le capteur, quand je met mon multimètre à ses bornes je dois lire une résistance en ohm (ex : 0 ohms). Maintenant j’applique 5 bar de pression sur le capteur, je dois voir mon contact changer de valeur à l’ohmmètre. Quand mon contact va s’ouvrir, la résistance doit être à l’infini : c’est comme si nous avions un fil coupé. Principales pannes possibles : Le contact ne change plus d’état en essayant de faire plusieurs réglages possible : on en résulte que le contact est HS. Le mécanisme se casse. En cas d’intervention sur process, il faut toujours vérifier avant de démonter que : Le pressostat soit bien alimenté. La pression du process est bien supérieure à la pression réglée sur le capteur. Le réglage initial n’a pas été touché.

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6.2. ENREGISTREUR PNEUMATIQUE Enregistreur circulaire

Figure 54: Enregistreur Pneumatique Il n’est plus très courant de nos jours mais nous pouvons encore en trouver sur certains sites industriels.

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6.3. TRANSMETTEUR DE PRESSION 6.3.1. Transmetteur Pneumatique de pression relative, absolue, différentielle Cet appareil peut être équipé de différentes cellules de mesure permettant la mesure de pressions absolues (2 soufflets en opposition dont l’un est sous vide), de pressions relatives (soufflet ou 1 tube de bourdon) ou de pressions différentielles (capsule ou membrane). Ce transmetteur devient très rare de nos jours mais on peut toujours le rencontrer sur certains sites.

Figure 55: Représentation mécanique

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Figure 56: Photo transmetteur de pression pneumatique Sur le transmetteur de pression différentielle, nous avons deux chambres de mesure : Une chambre BP (basse pression), c’est le côté négatif (-). Une chambre HP (haute pression), c’est le côté positif (+). Avec ce type d’appareil, nous pouvons mesurer des différences de pression (encrassement filtre, etc…), des hauteurs de liquide (niveau d’une cuve,etc..), et des débits (organes déprimogènes). Par contre, sur le transmetteur de pression relative et absolue, nous n’avons qu’une chambre de mesure et là nous nous posons pas de question pour le raccordement au process. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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6.3.2. Schémas de câblage simplifié 6.3.2.1. Schéma transmetteur de pression relative ou absolue

PI 1,4 bar

AL

S

PI

CHARGE

CELLULE MESURE HP

Figure 57: Schéma transmetteur de pression relative ou absolue

6.3.2.2. Schéma transmetteur de pression différentielle

PI 1,4 bar PI

AL

S

CHARGE

CELLULE MESURE HP PI CELLULE MESURE BP

Figure 58: Schéma transmetteur de pression différentielle

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6.3.3. Étalonnage L’étalonnage détermine la correspondance précise entre entrée et sortie à l’intérieur d’une étendue de mesure donnée : Pour chaque valeur d’entrée existe une valeur correspondante de sortie (et vice-versa). La courbe théorique représentative de cette relation est une droite. Cette droite peut être modifiée, par les réglages de zéro et d’échelle de mesure: réglages de zéro = décalage = translation de la droite. réglages de l’échelle de mesure = gain = pente = rotation de la droite.

6.3.3.1. Réglage du zéro

1 : Vis de fixation 2 : Boîtier 3 : Vis de réglage du zéro 4 : Couvercle vis de zéro

Figure 59: Réglage du zéro Pour commencer, il faut desserrer les vis de fixation (1) à l’aide d’un tournevis plat afin de pouvoir retirer le boîtier (2). Une fois le boîtier (2) démonté, nous pouvons accéder à la vis de réglage du zéro d’échelle (3). Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Exemple de réglage transmetteur avec une échelle de mesure de 0 – 1 bar : Prenez un manomètre numérique, n’oubliez surtout pas de lui faire une calibration avant de s’en servir. Prenez un tube polyamide de diamètre 4*6 mm d’une longueur suffisante pour raccorder le manomètre à la sortie signal du transmetteur. Alimentez bien le transmetteur en 1,4 bar à l’aide d’un filtre détendeur. Dans un premier temps, nous n’appliquons pas de pression sur le transmetteur afin d’obtenir une pression nulle (P = 0 bar) sur la chambre HP du transmetteur. Cette valeur de pression correspond à l’échelle minimum de notre transmetteur. Dans un deuxième temps, nous vérifions à l’aide de notre manomètre numérique le signal de sortie du transmetteur. Flexible 4 * 6mm

Transmetteur

Manomètre numérique

600mbar

_ Vis réglage Zéro

+

BP

HP Figure 60: Zéro décalé sur un transmetteur pneumatique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Nous nous apercevons sur la figure « Zéro décalé sur un transmetteur pneumatique » que la sortie du transmetteur est décalé de 0.4 bar ce qui représente 50 % d’échelle de décalage positif (1000 - 200 mbar = 800 mbar * 50% = 400 mbar). Pour remédier à ce décalage, nous allons tourner la vis du réglage de zéro (voir figure « Réglage zéro du transmetteur pneumatique » ci dessous) dans le sens inverse des aiguilles d’une montre jusqu’à ce que le signal de sortie soit à 200 mbar. Flexible 4*6mm

Transmetteur

Manomètre Numérique

200mbar

_ Vis réglage Zéro

BP

HP Figure 61: Réglage zéro du transmetteur pneumatique Il est en de même si nous avions un décalage négatif du zéro, il suffira de faire dans les sens inverse, c'est-à-dire tourner la vis de réglage dans le sens des aiguilles d’une montre afin d’obtenir un signal de sortie égal à 200 mbar. Remarque : Nous avons utilisé un manomètre numérique pour étalonner le zéro du transmetteur mais on peut aussi utiliser un manomètre à aiguille classique. Par contre, sachez que le manomètre numérique est bien plus précis. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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6.3.3.2. Réglage de l’échelle de mesure A présent notre réglage de zéro est effectué, nous allons procéder au réglage de l’échelle de mesure. Pour cela il faut appliquer une pression de 1 bar sur la chambre HP, qui correspond à l’échelle maximum de notre transmetteur de 0 - 1 bar. Nous allons prendre le matériel suivant : Manomètre numérique Générateur de pression portatif Deux flexibles 4*6mm (un pour le manomètre et un pour le générateur de pression) Voir schéma ci-dessous. Nous observons que le signal de sortie du transmetteur est de 900 mbar, donc il est décalé négativement de 100 mbar. Pour ajuster le signal de sortie à 1000 mbar, il suffit de jouer avec la molette de réglage d’échelle.

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Molette réglage échelle

+

Vis Réglage Zéro Repère rouge qui indique l’étendue d’échelle choisie Alimentation 1,4bar

Le générateur de pression nous permet d’appliquer une pression de 1 bar sur le transmetteur.

900mbar

Pression Atmosphérique

1000 mbar

Réglage fin de la Pression désirée Piston qui permet de mettre sous pression Figure 62: Réglage étendue d’échelle du transmetteur pneumatique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Une fois les réglage de zéro et d’échelle effectués, il faut toujours vérifier si le signal de sortie du transmetteur est bien linéaire. J’ai une méthode très simple qui est la suivante : Vérifier le transmetteur avec 5 points de mesure (0, 25, 50, 75,100%), cette technique est appliquée sur tous les instruments de mesure qui existe. Pour mieux comprendre je vais vous faire un petit tableau avec un graphique correspondant aux vérifications. N’oubliez pas que l’échelle du transmetteur est de 0 - 1 bar. % Étendue de mesure

0%

25%

50%

75%

100%

Échelle (E) Transmetteur (bar)

0

0.25

0.50

0.75

1

Signal Sortie (S) Transmetteur (mbar)

200

400

600

800

1000

E (bar) 1 0,75 0,50 0,25 0

200

400

600

800

1000

S (mbar)

Nous remarquons que notre transmetteur est bien réglé car il est bien linéaire.

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6.3.4. Transmetteur de pression électrique Le transmetteur électrique utilise les 3 types de capteurs dont nous avons vu les différentes technologies dans le chapitre «transmetteur électrique» de ce cours. A part que nous lui associons un transmetteur qui nous génère un signal de sortie 4 - 20 mA.

6.3.4.1. Représentation . Variation Inductance Jauge contrainte Variation capacitance

. Membrane • Capsule P P

d

Capteur

. Oscillateur Amplificateur Démodulateur

L R



Détecteur

C

Circuit Électronique

ls

Pour savoir comment fonctionne le circuit électronique du transmetteur, il faut aller voir dans le cours ACCESSOIRES INSTRUMENTATION. Il faut retenir que nous pénétrons dans le capteur avec une pression relative, une pression absolue ou différentielle et que le transmetteur nous délivre un signal de sortie 4-20 mA. Comme tout circuit électronique, le transmetteur doit être alimenter en tension. Pour cela nous allons voir les trois types de raccordement électrique sur un transmetteur

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6.3.4.2. Schémas de raccordement Montage deux fils Signal d’entrée

+ TRANSMETTEUR

RECEPTEUR -

Dans ce type de montage, le récepteur (DCS, régulateur, etc..) est actif c'est-à-dire que la sortie du transmetteur (4 – 20 mA) est en câblé en série sur l’entrée du récepteur. Le récepteur fournit ainsi une alimentation de 24 V continu (24 VDC) sur la sortie 4-20 mA du transmetteur. Remarque : Un signal 4-20 mA est toujours alimenté en continu Montage trois fils +

Signal d’entrée

RECEPTEUR

TRANSMETTEUR

+

-

-

Alimentation 24 ou 48 VDC Ce type de montage a une particularité, c’est qu’il est alimenté en 24 ou 48 VDC. Il est peu utilisé. Montage quatre fils Alimentation externe 230VAC

Signal d’entrée

TRANSMETTEUR

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+

RECEPTEUR

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-

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Dans ce type de montage, le transmetteur est alimenté par le biais d’une alimentation externe de 230V alternatif, la sortie 4-20 mA est toujours câblé en série sur le récepteur. Ce montage a la particularité d’être très autonome car il ne dépend pas du récepteur.

6.3.4.3. Étalonnage Comme le transmetteur pneumatique, nous retrouvons les deux réglages type d’un transmetteur : Réglage du zéro Réglage de l’échelle Si le transmetteur est sans afficheur, le réglage se fera avec deux vis (une pour le zéro et l’autre pour l’échelle). A la place du manomètre câblé sur le signal de sortie du transmetteur, cette fois ci pour le transmetteur électrique vous mettrez un ampèremètre en série. Vous devez aussi vérifier si le signal de sortie est bien proportionnel à la pression appliquée en entrée du capteur.

Figure 63: Exemple de câblage pour étalonnage Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Mode opératoire d’étalonnage : 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Connecter le banc d’essai à la HP du transmetteur Alimenter en 24 VDC sur les bornes + et – du transmetteur Allumer votre multimètre et le positionner en milliampèremètre continu Brancher le milliampèremètre sur les bornes test + et – du transmetteur Appliquer une pression équivalente à l’échelle basse du transmetteur Appuyer sur le bouton zéro du transmetteur et vérifier que le milliampèremètre affiche bien 4mA. 7. Appliquer une pression équivalente à l’échelle haute du transmetteur 8. Appuyer sur le bouton span du transmetteur et vérifier que le milliampèremètre affiche bien 20 mA. 9. Ensuite vérifier tous les points de mesure (0, 25, 50,75 et 100% de l’échelle)

Par exemple : Pour un transmetteur avec une échelle de mesure de 0-1 bar toujours, nous devons avoir les valeurs suivantes : % Étendue de mesure

0%

25%

50%

75%

100%

Échelle (E) Transmetteur (bar)

0

0.25

0.50

0.75

1

Signal Sortie (S) Transmetteur (mA)

4

8

12

16

20

E (bar) 1 0,75 0,50 0,25 0

4

8

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12

16

20

S (mA)

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6.3.5. Transmetteur de pression numérique

Figure 64: Exemple de câblage pour la configuration et l’étalonnage

Figure 65 : Câblage transmetteur numérique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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6.3.5.1. Étalonnage Deux réglages peuvent se faire via la console ou alors nous avons toujours deux boutons sur le transmetteur. Figure 66 : Boutons intégré au transmetteur « ZERO et SPAN » Le switch HI et LO nous sert à sélectionner la position de repli du capteur : HI : position de repli haute (21 mA) LO : position de repli basse (3.8 mA) Le switch SECURITY nous sert à mettre en service ou pas la protection en écriture sur le transmetteur. Une fois une configuration et étalonnage effectués, il faut mette le switch SECURITY sur ON pour éviter tout changement de configuration. Mode Opératoire étalonnage avec boutons du transmetteur Appliquer une pression correspondant à l’échelle minimum du transmetteur. Appuyer sur le bouton ZERO pendant quelques secondes pour faire le zéro (4 mA). Appliquer une pression correspondant à l’échelle maximum du transmetteur. Appuyez sur le bouton SPAN pendant quelques secondes pour faire le réglage de l’échelle de mesure (20 mA). Remarque : Le réglage avec les boutons du transmetteur peut se faire que si le transmetteur a été paramétré. Selon mon expérience, nous nous en servons en maintenance lorsque nous voulons refaire le zéro sur un capteur suite à une dérive de la mesure.

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Mode Opératoire étalonnage avec console de programmation Avec une console de programmation, l’étalonnage est différent. Avant de procéder à l’étalonnage, il faut paramétrer le transmetteur de façon suivante : Paramétrer l’unité de mesure (ex : bar, mbar, etc….) Paramétrer l’échelle basse du transmetteur (Lower Range Value) Paramétrer l’échelle haute du transmetteur (Upper Range Value) Paramétrer L’amortissement (DAMPING) Choisir le type de signal de sortie du transmetteur : Linéaire Etalonner le transmetteur en faisant SET PV ZERO Etalonner le tranmetteur en faisant SET PV SCALE Ce mode d’étalonnage est un exemple avec un transmetteur de pression ABB Type 264, car selon le constructeur les menus sont différents. Il faut donc se référer aux documents constructeurs pour bien étalonner chaque instrument de mesure.

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Figure 67 : Exemple de menu configuration transmetteur numérique (ABB type 264)

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6.3.6. Critères de choix des transmetteurs de pression Le domaine d’emploi est essentiellement défini par : L’étendue de mesure : Valeur minimale et maximale de la pression à mesurer. Ce sont en principe les valeurs pour lesquelles le capteur transmetteur doit donner une information crédible. Exemple : Capteur d’étendue de mesure 0.5 à 1 bar. La précision et les qualités annoncées par le constructeur doivent être garanties à l’intérieur de cette étendue de mesure. La pression maximale admissible : C’est la plus forte pression que peut supporter accidentellement le capteur sans qu’il subisse de détérioration irréversible. Pour certains capteurs, cette pression peut être trois fois plus élevée que la valeur maximale de l’étendue de mesure. La nature du fluide : Pose le problème de la compatibilité entre les matériaux du capteur en contact avec le fluide et ce dernier, et peut conduire au choix d’un accessoire de protection (ex : séparateur). La vitesse d’évolution de la pression : Si elle varie rapidement, le capteur doit posséder un temps de réponse le plus faible possible afin de suivre avec un retard acceptable de variations. Sa finesse est liée aux dimensions de l’élément de mesure, et à la longueur de la prise de pression déterminant son volume mort et son volume de respiration. Les grandeurs d’influence et la nature de l’environnement : Elles sont liées au fluide (sa température peut parfois nécessiter un dispositif de refroidissement du capteur), ou à l’environnement (température ambiante, vibrations, degré hygrométrique, parasites électromagnétiques,…). Une ambiance humide, poussiéreuse, corrosive, est aussi un critère important à prendre en compte pour le choix du capteur.

6.3.7. Montage des transmetteurs de pression Voir Cours PLANS EN INSTRUMENTATION

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7. DEBIT 7.1. RAPPELS Débit : C’est une quantité de produit qui s’écoule dans un certain intervalle de temps. Q = (surface x longueur) / ∆T Surface x longueur : c’est le volume Longueur / ∆T : c’est la vitesse On en déduit : Débit massique : Quantité de masse (par exemple : kg/h) Débit volumique : Quantité de volume (par exemple : m3/h) Organe déprimogène : Dans les capteurs de débit utilisant un organe déprimogène, le débit Q est proportionnel à la racine carrée de la différence de pression P. On peut alors représenter la relation entre le débit et la différence de pression mesurée.

Relation débit pression Q  k P Régime d’écoulement et le nombre de reynolds : Le nombre de Reynolds est un nombre sans unité qui caractérise l’écoulement du fluide : il tient compte de la viscosité dynamique et de la vitesse d’écoulement. Selon la valeur du nombre de Reynolds, le régime d’écoulement est laminaire ou turbulent.

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Viscosité : Elle caractérise la facilité d’écoulement des fluides. Elle varie en fonction de la température du fluide. Plus la température augmente, plus la viscosité diminue. Masse volumique : Comme son nom l'indique : une masse par un volume. La densité est le rapport des masses volumiques du produit et de l'eau. Ce qui fait : d = masse volumique / 1000 La masse volumique diminue avec la température. Pour info : la variation de volume s’écrit : Vt = V0 (1 + t) : Coefficient de dilatation. QV = Volume / t(voir plus haut) Pour une mesure par delta-P : Q  k P Nombre de Reynolds : Le fluide, en s'écoulant, peut le faire de deux manières : soit doucement, c'est l'écoulement laminaire soit plus rapidement, en créant des vortex, c'est l'écoulement turbulent. Pour les mesures de débit par plaque à orifice on a besoin d'avoir un régime turbulent. Pour caractériser le régime on a déterminé un chiffre : le nombre de Reynolds(métrique) :

Re 

 D 

v = vitesse du liquide (m/s) = densité du liquide (kg/m³) D = diamètre interne du conduit (m)  = viscosité du liquide (en Pa.s) Pour info : Pour que le régime soit bon, il faut que Re soit égal ou supérieur à 20.000 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Mesure des gaz - Loi de CHARLES : Pour un gaz ou un mélange de gaz parfaits à pression constante, le volume est proportionnel à sa température absolue. V = constante x T Ou V / T = constante soit V0 / T0 = V1 / T1 soit V1 / V0 = T1 / T0

Mesure des gaz - Loi de BOYLE : Pour un gaz ou un mélange de gaz parfaits à température constante, le volume est inversement proportionnel à sa pression absolue V = constante / P ou PV = constante soit P0 V0 = P1 V1 soit V1 / V0 = P0 / P1 Loi des gaz parfaits : C’est une combinaison des lois de CHARLES et de BOYLE P V = R T ou P V / T = R R étant une constante pour chaque gaz P0 V0 / T0 = P1 V1 / T1 Attention : T est exprimé en KELVIN (rappel : zéro absolu = -273,16 °C = 0 K

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7.2. INDICATEURS LOCAUX 7.2.1. Débitmètres à Ludion (Rotamètre) 7.2.1.1. Fonctionnement Le fluide se déplace de bas en haut, entraîne le flotteur à une hauteur telle que la perte de charge de part et d’autre du flotteur compense l’effet des forces de pesanteur et d’Archimède appliquées à ce dernier. La loi de variation de section est choisie de façon à obtenir une échelle linéaire. Le fonctionnement est régi par l’équation du théorème de Bernoulli (voir cours mesures physiques), et s’apparente à celui des diaphragmes en conduite, la différence ici est que l’on a affaire à un écoulement à section de passage variable et à perte de charge constante. On repère le plus souvent la position du flotteur en lisant directement la graduation sur le tube de verre Figure 68: Schématisation du Rotamètre

Figure 69: Flotteur rotamètre

Le flotteur est en équilibre sous triple action de : son poids (M.g) de la force de poussée d'Archimède (r x g x volume du flotteur) SCv2 de la poussée du liquide: 2

M : masse du flotteur en kg g : accélération de la pesanteur 9,81 m/s² r : masse volumique du liquide en kg/m3 V : vitesse du fluide en m/s S : surface du flotteur en m² C : coefficient de traînée du flotteur (sans unité) Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Une encoche dans le flotteur le fait tourner sur lui-même et stabilise sa position. Le repérage de la position du flotteur se fait par lecture directe sur le tube en verre qui est muni de graduations entre le flotteur et l'extrémité du tube. Il introduit une perte de charge qui est fonction du débit et doit être étalonné dans ses conditions d'emploi Lorsque le flotteur n'est pas sphérique il est généralement strié ce qui va entraîner sa mise en rotation et améliorer sa stabilité Le Rotamètre est aussi bien utilisé pour les liquides que pour les gaz. Il est prévu pour être monter à la verticale.

7.2.1.2. Utilisation Il ne tolère pas de haute pression (20 bars au maximum pour les modèles en verre). Souvent utilisés pour les débits de purge diamètre de canalisation : 4 à 125 mm précision : 2 à 10 % de l'étendue de mesure Perte de charge relativement importante Figure 70 : Divers Rotamètres

7.2.2. Débitmètres à Turbine 7.2.2.1. Principe L'écoulement du fluide entraîne la rotation d'une turbine (rotor à plusieurs ailettes, reposant sur des paliers) placée dans la chambre de mesure, la vitesse de rotation du rotor est proportionnelle au débit volumique du fluide

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La vitesse de rotation est mesurée en comptant la fréquence de passage des ailettes détectée à l'aide d'un bobinage (un aimant permanent est parfois solidaire de l'hélice). Chaque impulsion représente un volume de liquide distinct.

Bobine du capteur d’impulsion Palier

Ailettes de la turbine

Lame de redressement et de soutien Figure 71 : Description d’un débitmètre à turbine

7.2.2.2. Utilisation Il est compatible avec de nombreux liquides (rotor en acier inoxydable). Toutefois la propreté du liquide est essentielle, afin de ne pas encombrer les paliers de butée du rotor qui peut tourner à haute vitesse. De par leur principe ils sont réservés aux fluides peu visqueux, exempt de bulles ou de matières granuleuses. Ils sont destinés aux applications industrielles générales (eau, alcools, carburants, acides, gaz liquéfiés, liquides cryogéniques...). Diamètre de canalisations : 10 mm à 300 mm environ. Précision : 0,2 à 2 % de l'étendue de mesure, selon les appareils. Temps de réponse : plusieurs millisecondes.

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7.2.2.3. Pannes La principale panne qu’il peut y avoir, c’est que les ailettes du débitmètre se cassent. Quand la mesure commence à dériver progressivement, il est préférable si possible de démonter le débitmètre pour faire une vérification.

7.2.2.4. Montage Voir Cours PLANS EN INSTRUMENTATION

7.3. TRANSMETTEUR DE DÉBIT VOLUMIQUE 7.3.1. Débitmètre utilisant la pression dynamique 7.3.1.1. Tube de Pitot

Figure 72 : Schéma de principe du tube de Pitot La Sonde de Pitot est constituée par un jeu de deux tubes : Un tube qui donne accès à la pression statique en un point de section. Un tube qui donne accès à la pression dynamique en ce même point.

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La différence de ces deux pressions, mesurée par un transmetteur différentielle permet d’avoir une image de la vitesse du fluide sur la ligne de mesure.

Figure 73: Fonctionnement tube de Pitot Si la vitesse du fluide est considérée comme uniforme sur toute la section de la canalisation S :

Qv  S

2 P



Le tube de Pitot est l’un des capteurs les plus simple, utilisé dans une large gamme de mesure de débits. Alors que sa précision, et sa rangeabilité sont modestes, sa mise en place est simple (il peut être placer dans des canalisations déjà existantes sans interruption de process), et il peut être adapté à des conditions extérieur extrêmes. Les tubes de Pitot doivent être utilisés pour des régimes hautement turbulents (voir cours Mesures Physique en Instrumentation). On utilise d’avantage les tubes de Pitot pour la mesure du débit des gaz que des liquides. Les tubes de Pitot présentent les désavantages que la différence de pression est faible donc difficile à mesurer et que la précision de la mesure dépendra du profil du débit et de la position de l’appareil dans le tuyau.

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7.3.1.2. Sonde Annubar (ou de Burton) La formule Qv  S

2 P



n’est applicable que si la vitesse mesurée est quasi constante, ce

qui revient au même, que si la vitesse mesurée est bien la vitesse moyenne. L’idée est donc de placer non plus un tube de Pitot, mais plusieurs le long d’une section. Cet ensemble de tubes forme une sonde appelée « Annubar ». Figure 74 : Schéma de Principe de la Sonde Annubar Le tube de prise de pression dynamique ne porte plus une seule ouverture, mais plusieurs afin de mesurer la pression dynamique moyenne. De même pour la prise de pression statique. Le diamètre de ces ouvertures varie en fonction du diamètre de la canalisation : DN inches

mm.

Nombre d’orifices

2à5

50 à 125

4

6 à 14

150 à 350

6

15 à 72

381 à 1829

8 et plus

Pour mesurer le débit nous avons donc besoin de : Une sonde annubar (capteur) Un bloc manifold (sert à fixer et isoler le transmetteur directement sur la sonde) Un Transmetteur de ∆P

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Figure 75 : La Sonde Annubar Le transmetteur de ∆P a une particularité sur les mesures de débit car il mesure une différence de pression proportionnelle à la vitesse d’écoulement du fluide. La ∆P n’est pas proportionnelle au débit volumique donc le signal n’est pas linéaire. C’est pour cela que les constructeurs ont intégré dans le transmetteur une fonction qui s’appelle « extracteur de racine carrée ». En s’appuyant sur la relation Qv  K  fonction de la ∆P par la sonde annubar.

P , le transmetteur calcule le débit volumique en

K est le coefficient de débit. Le coefficient K, qui est lié à la viscosité du fluide et au nombre de Reynolds (voir cours Mesures Physique en Instrumentation), est l'un des facteurs les plus importants pour définir les performances métrologiques du capteur. Il peut être assimiler au coefficient de décharge d'une plaque à orifice. Mais si ce dernier a été étudié de long en large et a fait l'objet de nombreuses publications, il n'en va pas de Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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même pour le coefficient de débit du tube de Pitot.

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Chaque fabricant définit son propre coefficient avec une méthode qui lui est propre, qui s'appuie la plupart du temps sur des relations empiriques et qui ne peut s'appliquer que pour ses propres tubes. Par ailleurs, il détermine la valeur du coefficient dans certaines conditions d'étalonnage. Rien ne garantit qu'elles soient assimilables aux conditions d'écoulement et aux dimensions de la conduite de l'utilisateur final. On en conclue, le signal de sortie du transmetteur de 4-20mA proportionnel au débit volumique calculé. Attention : 8% à 100 % de Qmax: Bonne précision Dynamique 12 :1 possible (typiquement 6 :1 < 8 % de Qmax : Extraction linéaire Bonne reproductibilité et signal stable Figure 76: Coefficient de débit En fonction des spécificités, nous pouvons corriger le débit avec une sonde PT100 directement intégrée sur la sonde annubar. Utilisation : Leur emploi est envisagé : Lorsqu'une très faible perte de charge est requise, Lorsque la précision de la mesure n'est pas primordiale, Sur des tuyauteries de fort diamètre. L'emploi sur la vapeur ou des fluides chargés est possible mais pas conseillée. Possibilité de démontage sans arrêt de la ligne (sas et vanne d'isolement). Au-delà de tuyauterie DN > DN 200 l'instrument doit être guidé de part et d'autre de la conduite. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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On doit s'assurer qu'en cas de rupture, le tube de mesure ne risque pas d'endommager un équipement placé en aval (exemple : compresseur). Caractéristiques : Fluides : Liquides et Gaz Pression : fonction des capteurs Température : idem + matériaux Étendue de mesure : fonction de la canalisation (mesure de vitesse) Réponse : racine carrée Précision : + ou - 2.5% (0.5 à 3 % pour annubar) Raccordements : Insertion Avantages : Coût - Systèmes moyennant – Facilité de montage Inconvénients : Limité avec les fluides visqueux, précision Pannes Possibles : Les orifices de la sonde annubar se bouche. Le barreau de la sonde se casse.

7.3.2. Débitmètres à organes déprimogènes 7.3.2.1. Généralités Plus de 40% des mesures faites sur les liquides, les gaz et les vapeurs dans l’industrie, le sont à partir de débitmètres à organe déprimogène : le diaphragme, le tube de Venturi et la Tuyère. Le principe de ces débitmètres repose sur Venturi : la pression change lorsque la section change. De plus, on montre facilement, à partir du théorème de Venturi que la pression est plus faible, là ou la section de la conduite est plus faible (Voir cours Mesures Physique en Instrumentation). Ainsi à partir de l’un des éléments cités ci-dessus, on transforme une partie de l’énergie pression en énergie cinétique, et on mesure la chute de pression résiduelle entre l’amont et l’aval. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Tout débitmètre à organe déprimogène est donc constitué de deux éléments : Un Obstacle (responsable d’une ∆P). Un capteur de pression différentielle (mesure de la ∆P). Un des principaux avantages de ces débitmètres est qu’il n’est pas nécessaire de passer par une calibration, à partir du moment où ils ont été conçus conformément aux normes établies. De plus, ils ne possèdent pas de parties mobiles, et par conséquent, ils restent fiables dans le temps. Parmi les principaux inconvénients, il y a leur rangeabilité limitée (typiquement 3 :1), la perte de charge qu’ils provoquent sur leur installation, et leur sensibilité au comportement de l’installation (afin de minimiser cette sensibilité, on placera une certaine longueur en amont, et en aval du débitmètre. Pour un débit permanent dans une tuyauterie, le débit est constant le long de cette tuyauterie. Suivant l’équation de Bernoulli:

v² 

2



P



 gZ  constante

Pv

dynamic pressure = velocity head

Pg

GLOBAL pressure = STATIC pressure + DYNAMIC pressure Figure 77: Equation de Bernouilli Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Une restriction intercalée dans la tuyauterie produit une pression différentielle (P) à travers cette restriction, due à la variation de la vitesse du fluide. Le débit peut être calculé à partir de la mesure de cette P.

7.3.2.2. Venturi Il est constitué d'un tronc de cône convergent, d'un col cylindrique et d'un tronc de cône divergent. La pression diminue lorsque la section de la conduite diminue, tandis que la vitesse du fluide augmente

Figure 78 : Schéma de Principe du Venturi Comme avec le diaphragme, les mesures de pression différentielle sont converties en débit volumique. Caractéristiques : Perte de charge de 10 à 14% de la ∆P mesurée Utilisées dans les conduites de 25 à 3000 mm Longueur rectiligne moins élevée que le diaphragme Avantages : Bonne Précision Peu de maintenance Très large étendue de mesure Inconvénients : Encombrants Coûteux Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Exigent : Nombre Reynolds supérieur à 150 000

7.3.2.3. Diaphragme Principe de fonctionnement Lors du passage à travers une restriction, un fluide est soumis à une accélération. A l'augmentation de l'énergie cinétique qui en résulte, correspond une diminution de la pression (DP) C'est le phénomène physique mis en œuvre dans la mesure des débits par organes déprimogènes (et en particulier par diaphragme). Le débit est mesuré à l'aide d'un diaphragme placé en aval de la tuyère. La relation liant le débit au gradient de pression mesuré au niveau du diaphragme est :

Q 

d2 4

2 P



d = diamètre de la veine liquide à son étranglement maximal, en mètre, ∆P = P1 – P2 P1 = prise de pression amont (avant étranglement), P2 = prise de pression aval (niveau de l'étranglement maximal) Le coefficient a est appelé coefficient de débit de l’appareil déprimogène. Il tient compte de la contraction de la veine fluide, des pertes de charge et des sections amont et aval. r = masse volumique du fluide dans les conditions réelles d'écoulement, en kg/m3.

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Figure 79 : Principe de fonctionnement du diaphragme

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Il s'agit d'un disque percé en son centre, réalisé dans le matériau compatible avec le liquide utilisé. Le diaphragme concentrique comprime l'écoulement du fluide, ce qui engendre une pression différentielle de part et d'autre de celui-ci. Il en résulte une haute pression en amont et une basse pression en aval, proportionnelle au carré de la vitesse d'écoulement. C'est le dispositif le plus simple, le moins encombrant et le moins coûteux. Domaine d'utilisation : ne convient pas aux liquides contenant des impuretés solides car celles-ci peuvent s'accumuler à la base du diaphragme. Il introduit une perte de charge importante Diamètre de canalisation : tous diamètres disponibles Précision : 2 à 5 % Pour le diaphragme, l’élément primaire est composé d’une plaque munie d’un orifice calibré montée perpendiculairement à l’écoulement. Figure 80: Arrêtes vives du diaphragme

L'arête amont doit être vive (rayon de courbure : 0,0004d). Plaque à orifice quart de cercle: l'orifice comprend un bord arrondi suivant un rayon fonction du diamètre de l'orifice. Elle est utilisée dans le cas où le nombre de Reynolds est inférieur aux limites admises pour (orifices circulaires à arête vive), en particulier pour les fluides visqueux.

Figure 81: Plaque à orifice en quart de cercle

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Plaque à orifice à entrée conique: la plaque présente côte amont un angle d'ouverture de 45°. Mêmes conditions d'utilisation que les plaques quart de cercle. Son emploi est préféré à celui des plaques à orifice quart de cercle. Figure 82 : Plaque à orifice à entrée conique

Plaque à orifice segmentaire :

Figure 83 : Plaque à orifice segmentaire

Plaque à orifice excentré : Son emploi est recommandé dans le cas des phases mixtes liquide/gaz. Figure 84 : Plaque à orifice excentré Montage des plaques

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Figure 85 : Montage des plaques à orifice

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Sur certaines installations, notamment les stations de comptage, les orifices doivent être démontés périodiquement pour inspection Ils sont installés dans des portes orifices qui permettent leur démontage et remontage en charge.

Figure 86 : Plaques à orifice La prise amont correspond à la haute-pression, et la prise aval à la basse-pression. Pour une tuyauterie horizontale, les prises sont situées comme suit: Pour un gaz : sur le sommet de la tuyauterie, de la bride ou de l’élément primaire Pour un liquide : sur le coté de la tuyauterie, de la bride ou de l’élément primaire Pour la vapeur : o sur le sommet de la tuyauterie, de la bride ou de l’élément primaire quand la pression différentielle est mesurée au-dessus o sur le coté de la tuyauterie, de la bride ou de l’élément primaire quand la pression différentielle est mesurée en dessous Pour une tuyauterie verticale, l’emplacement périphérique des prises n’est pas important.

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La position des prises par rapport à l’orifice respecte les normes suivantes: Prises sur la bride (1" - 1") / Flange taps Les prises sont situées sur les brides du porte orifice à égale distance de l’orifice. Prises dans les angles (0" - 0") Corner taps Nécessitent une cavité annulaire de part et d’autre de l’orifice. Prises sur la tuyauterie (2,5 D – 8 D) / Pipe taps Pour un débit donné, fournissent la pression différentielle la plus élevée.

Utilisation :

Figure 87: Prises par rapport à l'orifice

Tous liquides Les entraînements gazeux ou solides Application pour les liquides : Rejets eaux, injection d'eau. Comptages huile anhydre. Comptages huile hydratée en association avec mesures de WLR (BSW) (séparateurs, expédition). Application pour les gaz : Gaz injecté, Gas-lift, Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Gaz séparateur production et test, Fuel gas, Caractéristiques : Pression : fonction des capteurs Température : fonction des capteurs + matériaux Dynamique de mesure : 3à 10 Réponse : racine carré Précision : ± 0.6 % FS sur coefficient de décharge CD Raccordement : entre brides Taille : Fonction du diamètre de la conduite Avantages : Coût Maintenance Robustesse Inconvénients : Conditions d’installation Précision

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7.3.2.4. Tuyère La tuyère est plus robuste et plus résistante à l’érosion que la plaque à orifice. Figure 88 : Schéma de Principe de la Tuyère Pour un même diamètre et une même pression différentielle, il permet 65% de débit supplémentaire par rapport à la plaque à orifice. Utilisée principalement sur la vapeur circulant à grande vitesse et les fluides partiellement chargés

7.3.2.5. Comparaison des oranges déprimogènes

Rangeabilité

Perte de charge

Coût

Gaz propre

Gaz chargé

Liquide propre

Boue

Vapeur

Applications

Précision

Ø Canalisation (mm)

Performances

Diaphragme

±2%

3 :1

10 à 1000

Forte

Faible

Oui

Non

Oui

Non

Oui

Venturi

±2%

3 :1

25 à 500

Faible

Fort

Oui

Peutêtre

Oui

Tuyère

±2%

3 :1

25 à 250

Forte

Moyen

Oui

Peutêtre

Oui

Peutêtre Non

Oui

Table 3: Comparaison des organes déprimogènes

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Figure 89: Pertes de charge résiduelle des organes déprimogènes

7.3.3. Débitmètres à Ultra Son

Figure 90 : Débitmètre Ultra-Son Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Nager à contre courant nécessite plus d'énergie et plus de temps que de nager dans le sens du courant. La mesure de débit ultrasonique est basée sur ce principe élémentaire de différence de temps de transit. Deux capteurs sont montés sur la tuyauterie et sont simultanément émetteur et récepteur d'impulsions ultrasoniques. A débit nul, les deux capteurs reçoivent en même temps l'onde ultrasonore, sans temps de transit. Les deux capteurs ne peuvent pas émettre tous les deux en même temps. Quand le capteur A émet, le capteur B reçoit et vice-versa. Quand le fluide est en mouvement, les ondes ultrasonores n'atteignent pas les deux capteurs en même temps. Cette mesure de différence de temps de transit est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement, donc au débit volumique. Nous utilisons de plus en plus le traitement numérique car il additionne 10 signaux de mesure pour augmenter l’amplitude et permet de travailler à 1000 Hz au lieu de 5 à 10 Hz en traitement analogique. Par conséquent le nombre de mesures valides augmente et nous disposons d’une mesure stable et précise même en présence de bulles d’air ou lorsque le bruit de fond augmente, ce qui est le cas avec un fluide chargé en particules. Utilisation : Il est fréquemment utilisé pour les écoulements turbulents, les fluides non conducteurs (notamment les hydrocarbures), là où les débitmètres électromagnétiques ne fonctionnent pas. Il est primordial que les fluides qui circulent ne véhicule pas de gaz ou de solides, car il risque d’y avoir une dispersion des ondes acoustiques entre les 2 capteurs. L’ensemble du dispositif, à l’extérieur de la conduite, est insensible à l’agressivité du fluide et n’entraîne aucune perte de charge. Caractéristiques : Plage de mesure : 0,01 à 25 m/s Diamètre des conduites : jusqu’à DN6500 Matériaux de conduite : tous matériaux courants Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Température : jusqu’à 500°C Précision : 0,5% de la valeur mesurée Avantages : Mesure possible jusqu’à 10% de bulles d’air ou de gaz ou 30% pour les solides selon la nature des matières en suspension Mesure possible sur tout type de fluides, y compris avec des variations de concentration et de température Montage non intrusif sans perte de charge et sans risque de fuites Mise en œuvre simple, rapide, sans arrêt de process et sans ouverture de la conduite

7.3.4. Débitmètres à Effet Vortex

Figure 91 : Principe du débitmètre à effet vortex Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Ce principe de mesure est basé sur la formation de tourbillons en aval d'un obstacle placé dans un écoulement de fluide, par exemple un pilier de pont. Ce phénomène est connu sous le nom de cheminement de tourbillons selon Karman. Lorsqu'un fluide passe sur un corps perturbateur place dans le tube de mesure, des tourbillons (vortex) se forment alternativement sur chaque coté de cet élément perturbateur. La fréquence de détachement des tourbillons, alternativement de chaque coté de l'élément perturbateur, est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement, donc au débit volumique. Les variations de pression générées par ces tourbillons sont détectées par un capteur capacitif qui envoie un signal primaire, digital et linéaire au processeur de l'électronique. Le signal de mesure n'est pas sujet à des dérives. En conséquence, les débitmètres vortex peuvent fonctionner pendant toute sa durée de vie sans re-étalonnage. Le capteur capacitif avec mesure de température intégrée peut directement enregistrer le débit massique de vapeur saturée, par exemple. Figure 92 : Débitmètre à effet vortex Caractéristiques : Fluides : Liquides, Gaz, Vapeurs Pression : jusqu'à 250 bar Température : jusqu'à 400°C Dynamique de mesure : 10 à 20 Réponse : linéaire pour nb Reynolds > 10000 - 20000 Précision : Liquide: ± 1.0% (10:1) Gaz: ± 2.0% (15:1) Raccordements : Filetage / Brides Taille : jusqu’à 200 mm

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Avantages : Pas de pièce en mouvement - Rapport Q/P Dynamique importante (10 à 30). Pas de pièces mobiles. Peu intrusifs. Faible perte de charge. Inconvénients : Sensibles au profil d'écoulement. Limités aux fluides peu visqueux, ne pas les utiliser pour un comptage de brut. Sensibles à l'érosion et à l'abrasion. Limités aux condensats et à l'eau.

7.3.5. Débitmètres Electromagnétique

Électrodes

Bobines

Figure 93 : Principe du débitmètre électromagnétique La loi d'induction de Faraday établi que le déplacement d'un conducteur dans un champ électromagnétique génère une tension induite. Dans le cas du débitmètre électromagnétique c'est le fluide en mouvement qui représente le déplacement du conducteur. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Le champ électromagnétique constant est généré par 2 bobines, une de chaque coté du tube de mesure. Deux électrodes de mesure sont montées à l'intérieur du tube, à 90° par rapport aux bobines, pour mesurer la tension induite générée par le déplacement du fluide dans le champ électromagnétique. La tension induite est proportionnelle à la vitesse du fluide, donc au débit volumique. Le champ électromagnétique est généré par un courant pulsé direct de polarité alternée. Cela assure une stabilité du point zéro, et rend la mesure insensible aux influences des liquides multi phasiques ou non homogènes, ou de faible conductivité. Un conducteur électrique (le fluide), traverse un champ magnétique d’intensité B. Une tension, U, directement proportionnelle à la vitesse moyenne d’écoulement, V, est induite dans le fluide.

Figure 94 : Détail du débitmètre électromagnétique Le signal de tension induite est capté par deux électrodes de mesure en contact avec le fluide ou par un système capacitif, sans contact. On mesure la f.e.m. (force électromotrice) induite par le déplacement du fluide (qui doit être conducteur) dans un champ magnétique (Loi de Faraday).

Figure 95: Champ magnétique

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Utilisation : L'utilisation est réservée aux fluides ayant une conductivité suffisante (eau de mer, eau de gisement, etc.). Utilisation uniquement pour l’eau. La conductivité minimale du fluide mesurable doit être supérieur à 0.005 microS/cm.

Avantages :

Figure 96 : Exemples de débitmètres électromagnétique

La perte de charge est faible Aucune pièce n’est en mouvement La mesure est indépendante de la pression, la température,la masse volumique, la viscosité L’indication est linéaire par rapport au débit volumique La mesure est valable quelque soit le sens de circulation du fluide Inconvénients : La conduite doit être impérativement pleine Pannes possibles : Électrodes encrassées : il faut impérativement effectuer un nettoyage lorsque la mesure dérive Usure du revêtement (souvent en PTFE) Bulle d’air dans la conduite : il faut bien purger la conduite. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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7.4. TRANSMETTEUR DE DÉBIT MASSIQUE 7.4.1. Débitmètres massique thermique Le tube de mesure comprend deux sondes de température qui sont placées aux points T 1 et T2, de part et d'autre d'un élément chauffant. La différence de température, T 2 - T1 est proportionnelle au débit massique. Le plus souvent, l’élément chauffant amène le fluide à une température fixée par le constructeur (30°C au dessus de la température ambiante).

Figure 97 : Principe du débitmètre massique thermique Quand le débit augmente, il y a de moins en moins de molécules de gaz qui prélèvent l’énergie et la mesure de température n’est plus proportionnelle au débit massique. En théorie, le débit praticable serait donc limité. Pour pouvoir mesurer des débits plus importants, il faut diviser le courant total. Le courant principal s’écoule dans un élément à action laminaire et le courant secondaire sur lequel porte la mesure passe par un capillaire. Il est indispensable que le profil d’écoulement soit laminaire, autant dans la conduite principale que dans le capillaire. Dans ces conditions, la perte de charge au passage du dispositif est suffisamment linéaire pour que l’on puisse déduire le débit total du débit mesuré dans le capillaire. Le débit en dérivation est donc conditionné par l’élément laminaire dans le courant principal. Pour calculer le débit total à partir du débit dans le capillaire, il faut que la répartition du débit dans le capillaire et dans le tube principal soit constante et connue. Le diamètre du capillaire varie selon les constructeurs : il est de l’ordre de quelques centièmes de millimètre.

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Figure 98 : Fonctionnement du débitmètre massique thermique

Figure 99 : Exemple de débitmètre massique thermique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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La régulation du débit massique peut être effectuée par une servo-vanne pneumatique de précision commandée par une servo-vanne Electromagnétique. Cette dernière dérive une petite partie du gaz au dessus de la membrane de la servo-vanne pneumatique pour commander son ouverture. Caractéristiques Mesure massique de gaz ou liquides propres et secs sur des faibles débits. Le fluide doit avoir une composition constante. Diamètres de conduite : 2 à 50mm Il possède un tranquilisateur de fluide intégré pour pouvoir fonctionner en régime laminaire. Pas de longueurs droites et amonts requises Précision : +/- 1% de la pleine échelle

7.4.2. Débitmètres à Effet Coriolis Notions accélération de Coriolis : L’accélération de Coriolis  apparaît lorsqu’une masse est soumise à la fois à un mouvement de rotation et à un mouvement de translation. On en déduit par théorie :



Avec



 2 

la vitesse angulaire et  la vitesse de translation.

A cette accélération correspond une force F :

F m

 2m

Où m est la masse du fluide soumise aux deux actions (rotation et translation) Principe du débitmètre à effet Coriolis Dans un débitmètre, une bobine excitatrice placée en C, soumet le tube de mesure à un mouvement oscillant autour de l’axe repos A-B. Formation LaManuel partiede centrale estEXP-MN-SI050-FR selon la terminologie propre à ce domaine un ventre de vibration, où Dernière Révision: 04/11/2008 Page 110 de l’oscillation est maximale.

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En l’absence de débit, aucune force de Coriolis n’est produite Lorsque les particules du fluide se déplacent avec la vitesse v, elles provoquent des forces de Coriolis qui agissent sur les deux moitiés du tube, dans des sens opposés. En effet, le fluide retarde l’oscillation lorsqu’il doit lui-même en acquérir le mouvement (entre A et C) et l’accélère lorsqu’il restitue l’énergie prélevée (entre C et B). Il en découle une distorsion du tube très faible qui se superpose à l’oscillation de base du tube. Le mouvement total est mesuré à l’aide de capteurs inductifs placés en A et B. Ainsi en présence de débit, un retard de phase  est observé entre l’oscillation en A et l’oscillation en B. Déphasage auquel correspond un intervalle de temps t directement proportionnel au débit masse Q, f étant la fréquence d’oscillation et k une constante. Le comportement oscillant du tube de mesure dépend aussi de la température. Celle-ci est mesurée en permanence et les valeurs sont corrigées en conséquence. Le débitmètre de Coriolis utilise donc comme capteur un tube sans obstacle que l'on fait vibrer à sa fréquence de résonance au moyen d'un bobinage placé à mi parcours du capteur.

Figure 100 : Exemple de débitmètre à effet Coriolis Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Lorsque des particules de fluide se déplacent dans le tube elles vont provoquer des forces de Coriolis qui agissent en sens opposés sur les deux moitiés du tube : dans la première moitié du tube le fluide freine l'oscillation tandis qu'il l'accélère dans la seconde moitié en restituant l'énergie qu'il a acquise dans la première moitié. Il en résulte une distorsion du tube ce qui se traduit par un retard de phase entre l'entrée et la sortie que l'on va mesurer à l'aide de capteurs inductifs. Ce décalage temporel entre les deux signaux oscillatoires est proportionnel à la force de Coriolis et donc au débit massique. Utilisation : Les débitmètres de Coriolis sont employés très fréquemment dans l'industrie agroalimentaire, les huileries en particulier mais aussi dans l'industrie chimique pour les produits assez visqueux. Caractéristiques : Fluides : Liquides et Gaz Pression : jusqu'à 200 bar Température : jusqu'à 200°C Dynamique de mesure : 10 à 20 Réponse : linéaire Précision : + ou - 0.20% (10:1) Raccordements : Filetage / Brides Tailles : 1.5 - 150 mm Avantages : Le Coriolis est vraiment très précis Il mesure directement le débit massique et corrige les erreurs de mesure avec une mesure de température intégrée. Pas de longueur droites amont et aval préconisé. Il mesure aussi la densité du produit. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Inconvénients : Son poids Encombrements Prévoir filtration afin d’éviter un bouchage partiel du tube Pannes Possibles : Le tube de mesure se bouche, il est important de nettoyer souvent ce genre d’appareil. Le tube ne vibre plus à sa fréquence de résonance, perte de la mesure, cela veut dire que le capteur est HS.

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7.5. COMPARATIF DES DIFFÉRENTS TYPES DE DÉBITMÈTRES Technologie

Principe physique

Cellule de mesure Plaques à orifice

Section constante

Obstruer le fluide avec une restriction fixe

Venturi Dall tube

Constant pressure (variable area)

Limites de température (°C)

Limites de pression

Non, but error increases

Pressure transducer limitation

350 °C

40 MPa

300 °C

10 MPa

250 °C

20 MPa

150 °C

1,5 MPa

Float rotameter Obstruct the fluid by a variable restriction

Slotted cylinder Piston

Précision

± 1.0 % Range 3 :1

± 1.0 % Range 10 :1

Semi-rotary piston Reciprocating Positive displacement

Meter a known quantity of fluid a number of times over a fixed period

piston Rotating disk Rotating vane

± 0.2 % Range 15 :1

Diaphragm Rotary displacement

Turbine

Measure the rotational speed of turbine

Electromagnetic

Use Faraday’s law of electromagnetic induction in conjuction with a conducting fluid (liquid)

Ultrasonic

Vortex shedding

Measure transit time between two points or measure the droppler shift

Use a bluff body to produce vortices

Turbine flowmeters

AC magnetic flowmeter DC pulsed field flowmeter

Transit time flowmeter

Vortex flowmeter

120 °C

200 °C

Range 10 :1

± 1.0 % Range 10 :1

± 1.4 %

100 °C Pipework limitation

Laser/droppler flowmeter

± 0.25 %

10 MPa

Range 10 :1 ±5% to ± 20 % ±1% to 2% Range 15 :1

Table 4: Comparatif des différentes types de débitmètres Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8. NIVEAU 8.1. GÉNÉRALITÉS 8.1.1. Qu’est-ce qu’un niveau ? Le mot niveau a de nombreuses significations. Figure 101: Niveau d'un liquide « à ciel ouvert » En ce qui concerne les mesures physiques, il s'agit de la distance H entre la surface libre du liquide contenu dans un réservoir et le fond de ce réservoir. Plus généralement, cette définition peut s'étendre à tout appareil de production pouvant contenir un liquide ou un produit en poudre (on dit qu'il est pulvérulent) tel que le ciment par exemple ou granuleux (ex: grains de blé dans un silo). Le réservoir peut être ouvert à l'atmosphère (on dit "à ciel ouvert") comme sur le schéma ci-dessus. Il peut être aussi fermé, c'est à dire avec une phase gazeuse (gaz ou vapeur du liquide) exerçant une pression au dessus du liquide comme sur le schéma ci-dessous. Figure 102: Niveau d'un liquide dans une capacité fermée Le niveau peut aussi parfois être un niveau de séparation entre deux liquides non miscibles (par exemple, l'eau et l'huile) contenus dans un même réservoir ouvert ou fermé. Ce niveau est appelé niveau interface. C'est le niveau H du schéma ci-dessous.

Figure 103: Niveau interface Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.1.2. Pourquoi mesurer un niveau ? Voici quelques exemples courants montrant l'intérêt de cette mesure : pour déterminer une quantité de liquide consommée ou produite. Cela nécessite de bien connaître la géométrie du réservoir.

Volume écoulé: V (m³) = S. (H1 - H2) H1 et H2 sont deux niveaux (en m) mesurés aux deux temps successifs t1 et t2. Le réservoir a une géométrie simple et parfaitement connue: cylindrique, d'axe vertical, de section S (en m2) constante. Remarque: deux pesées successives du réservoir permettent aussi de déterminer la masse de liquide écoulée ou produite (en kg ou en tonnes). Ainsi, en pesant un camion citerne à son entrée et à sa sortie d'une usine, on peut facturer le produit apporté ou emporté. pour assurer la sécurité des personnes et de l'installation Le niveau d'eau (H) dans un ballon de chaudière ne doit jamais être trop bas, sinon risque de surchauffe de la vapeur d'eau produite donc d'éclatement du ballon. Figure 104: Régulation de niveau Il ne doit pas non plus être trop haut, sinon l'eau liquide risque d'aller dans le circuit de vapeur.

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La régulation automatique du niveau H maintient en permanence celui-ci dans des limites acceptables Réservoir de stockage de liquide: il faut que H < H maxi afin d'empêcher tout débordement. Figure 105: Régulation pour éviter un débordement Cuve mélangeuse: le niveau H doit toujours être suffisant pour que les pales de l'agitateur soient immergées. Il doit aussi être inférieur à la hauteur de la cuve pour éviter tout débordement.

Figure 106:Régulation cuve de mélange Pour automatiser le remplissage ou la vidange d'un réservoir Dans l'exemple ci-dessous, la régulation du niveau H maintient celui-ci constant afin d'évacuer en permanence ce qui arrive dans le réservoir. Ce dernier étant fermé sous pression, une évacuation par trop plein n'est pas possible.

Figure 107: Maintien d’un niveau Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Le niveau est mesuré par le capteur LT qui transmet son signal de mesure M au régulateur LIC. Le régulateur envoie son signal de commande Y R sur la vanne pour agir sur le débit de vidange du réservoir afin de maintenir le niveau H constant.

8.1.3. Comment mesurer un niveau ? Un niveau est une hauteur de liquide mesurée par rapport au fond du réservoir, soit H. La mesure du niveau est donc une mesure de longueur. Mais assez souvent on s'intéresse d'avantage aux variations de cette hauteur H, que nous noterons DH, plutôt qu'à la hauteur H proprement dite. Il s'agit donc d'une mesure de déplacement. Il peut être plus facile de mesurer la "hauteur de creux" Hc plutôt que la "hauteur de plein" H. On déduit alors H de la hauteur Hc à condition de connaître la hauteur du réservoir Hr. Donc H = Hr - Hc. Figure 108: Mesure d'un niveau Quelques dispositifs simples permettent de mesurer directement le niveau ou ses variations en donnant une indication locale le plus souvent. Ils effectuent une mesure directe de hauteur ou de déplacement. L'exemple classique de ce type de mesure est l'indicateur de niveau visuel dont le schéma de principe est donné ci-dessous. Figure 109: Mesure directe d'un niveau D'après le principe des vases communicants, le niveau du liquide dans le tube transparent de droite (en verre ou plastique) est le même que celui du liquide dans le réservoir. On lit donc ce niveau sur la règle graduée le long du tube transparent. Deux robinets d'isolement et un robinet de purge en point bas permettent d'effectuer une intervention sur cet appareil. Autres exemples de mesure directe du niveau: La mesure de niveau manuelle par pige. C'est une tige qu'on plonge depuis le haut du réservoir dans le liquide. L'exemple courant est la jauge à huile du moteur d'une voiture. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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La mesure de niveau par un flotteur, sorte de ballon flottant à la surface libre du liquide et accompagnant ses déplacements. Nous l'étudierons par la suite. De très nombreux dispositifs, en fait, ne mesurent pas le niveau mais une grandeur intermédiaire qu'ils traduisent ensuite en une indication locale du niveau ou en un signal image. L'exemple le plus classique est la pression hydrostatique P = .g.H mesurée en bas du réservoir par un indicateur local (manomètre) ou un capteur de pression faisant office de capteur de niveau. Dans ce cas, la mesure est indirecte. Figure 110: Mesure par pression hydrostatique Cette grandeur intermédiaire peut aussi être, par exemple: Le poids apparent d'un objet plus ou moins immergé dans le liquide, La masse du réservoir et de son contenu (mesure par pesage), Le temps de propagation d'une onde ultrasonore ou électromagnétique, La capacité électrique d'un condensateur dont le diélectrique est le liquide dont on mesure le niveau, Avantages et inconvénients respectifs de ces deux méthodes Supposons par exemple que nous désirions suivre le niveau ou le contenu (volume ou masse de liquide) du réservoir ouvert cylindrique d'axe vertical représenté ci-dessous en ayant le choix entre une mesure directe par flotteur ou tube transparent (mesure de hauteur) une mesure indirecte par un capteur de pression situé en bas du réservoir une mesure indirecte par pesage de ce même réservoir. Le liquide est propre et non corrosif.

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8.1.4. Quelle méthode de mesure devons nous utiliser ? Mesure directe ou indirecte ?

Figure 111: Mesure directe ou indirecte?

8.1.4.1. Suivre un niveau Nous voulons d'abord suivre le niveau H du liquide dans le réservoir, par exemple pour le maintenir à une hauteur correcte, ni trop haute, ni trop basse. Lorsque la masse volumique r du liquide est variable, donc mal connue, faut-il choisir la méthode directe ou la méthode indirecte ? La pression hydrostatique mesurée en bas du réservoir est : P=.g.H D'ou H = P / ( . g) On déduit donc le niveau H de la valeur de la pression P mesurée et de la valeur de la masse volumique  qui malheureusement n'est pas parfaitement connue. La masse de liquide obtenue par pesage, après déduction de la masse du réservoir vide, est M = V.  = S . H .  V étant le volume de liquide contenu dans le réservoir et S la section du réservoir en m2. D'ou H = M / (S . ) Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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On déduit donc le niveau H de la masse M mesurée et de la valeur de la masse volumique r qui malheureusement n'est pas parfaitement connue. Une mesure directe est donc préférable dans ce cas car elle est indépendante de la masse volumique r du liquide. Lorsque la masse volumique r du liquide est constante et parfaitement connue, les deux méthodes conviennent.

8.1.4.2. Déterminer un niveau V Nous voulons maintenant déterminer le volume V de liquide contenu dans le réservoir V=S.H Pour une mesure de pression en bas du réservoir P=.g.H donc H = P / ( . g) et V = S . P / ( . g) Pour une mesure de masse par pesage du réservoir M = V.  donc V = M /  Nous voyons que, lorsque r est variable, la mesure directe du niveau H, indépendante de , est préférable à la mesure indirecte. Lorsque  est constante et parfaitement connue, les deux méthodes conviennent.

8.1.4.3. Déterminer une masse M Nous voulons maintenant déterminer la masse M de liquide contenue dans le réservoir. M=V.=S.H. Donc, si nous faisons une mesure directe du niveau H (mesure par tube transparent ou par flotteur vues précédemment), il faut connaître la masse volumique  pour en déduire M. Si cette masse volumique  est variable, il faut la mesurer pour connaître avec précision M. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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M = V .  = S . H . . P =  . g . H donc H = P / ( . g) Donc M = S . H .  = S . [P / ( . g)] .  Soit en simplifiant M = S . P / g Donc lorsqu'on mesure la pression hydrostatique P exercée par le liquide en bas du réservoir, nous voyons qu'elle varie comme la masse M de liquide contenu dans le réservoir car S et g sont des constantes parfaitement connues. La masse de liquide M ainsi calculée est indépendante de la masse volumique du liquide . Cette mesure indirecte est donc préférable à la mesure directe du niveau H. Mais pour déterminer avec précision la masse M de liquide contenu dans le réservoir, la méthode de mesure la plus adaptée consiste à peser le réservoir en continu, à condition que M ne soit pas trop petite par rapport à la masse MR du réservoir vide. En plus de ces considérations théoriques, il faut aussi tenir compte, dans le choix d'un dispositif de mesure de la nature du liquide (corrosion, viscosité, dépôts solides, ...), de l'environnement (bruit, parasites, présence humaine, ...), de la maintenance du matériel (entretien, importance et fréquence des interventions), de son coût d’achat.

8.2. MESURE DIRECTE 8.2.1. Jaugeage C’est une méthode qui est encore souvent utilisée pour le jaugeage des bacs. Figure 112 : Exemples de pige à ruban Les piges à ruban sont constituées d’un lest qui entraîne un ruban gradué en unités de la grandeur mesurée (longueur, volume, masse) ceci à une température référence et bobiné autour d’un tambour, il peut être enduit d’une pâte permettant la mesure précise du niveau sur des produits tels que les essences et les kérosènes. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.2.1.1. Avantages et Inconvénients Ce sont des instruments de mesure très simples, et peu coûteux, mais ne permettant que des mesures instantanées. Dans le cas d’un contrôle prolongé, lorsque la température de mesure est très éloignée de la température de référence, ( celle-ci étant prise pour base lors de la graduation), nécessité d’effectuer une correction en fonction du coefficient de dilatation du métal de la pige. Remarques : Le métal constituant la pige devra être choisi de manière à éviter, lors de frottements sur les parois de la cuve, la création d’étincelle (produits inflammables). Le risque d’obtenir une mesure par excès est plus important avec une pige à ruban (tension de ruban).

8.2.2. Niveau à glace 8.2.2.1. Niveau à glace à réflexion L'indicateur à réflexion comporte une seule glace dont la face en contact avec le liquide est striée (glace prismatique). Préconisation : liquides propres, non chargés. liquides incolores. liquides non agressifs envers la glace. Il est recommandé jusqu’à 20 bars.

8.2.2.2. Niveau à glace à transparence La colonne de liquide est contenue dans le corps de l’indicateur entre deux glaces lisses. Il est souvent utile d'équiper les indicateurs à transparence d'un dispositif d'éclairage afin de faciliter la lecture du niveau avec des fluides incolores.

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Préconisation : liquides avec particules en suspension. liquides agressifs envers la glace (protection par mica). lecture de l'interface entre deux liquides. Possibilité avec liquides colorés, utilisé pour les ballons de chaudière (vert : phase eau, rouge : phase vapeur). Au delà de 20 bars, il est nécessaire de protéger le verre par une feuille de mica.

Figure 113 : Exemples de Niveau à transparence

8.2.2.3. Comparaison Type niveau

Application Interface LIQUIDE - GAZ pour liquides clairs tels que :

À réflexion

Eau Hydrocarbures lègers

À transparence

Interface LIQUIDE – GAZ pour liquides sombres Interface LIQUIDE – LIQUIDE

Table 5: Comparaison niveaux à glace Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.2.2.4. Maintenance Sur ce type d’indicateur de niveau, il faut changer les glaces ainsi que les joints quand cela est nécessaire.

Verre à Transparence

Verre à Réflexion

Figure 114 : Exemple de glaces

8.2.3. Niveau par Flotteur 8.2.3.1. Principe et Fonctionnement Il s'agit d'une mesure directe du niveau car on mesure une hauteur ou un déplacement. C'est le plus ancien Principe utilise. Le flotteur, qui contrairement au plongeur ne coule pas mais flotte à la surface du liquide suit celle-ci dans ses déplacements. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 115 : Schéma de principe du niveau à flotteur Un câble, guidé par des poulies et maintenu tendu par un contrepoids, transmet le déplacement du flotteur à un index dont la position est lue sur une règle graduée en hauteur de liquide. La graduation de la règle est inversée, le niveau bas correspondant à la graduation la plus haute et le niveau haut à la graduation la plus basse. Le déplacement du flotteur, donc celui du câble, peut aussi être traduit en un signal de sortie standard 4..20 mA par un capteur/transmetteur électrique de déplacement.

Figure 116 : Exemple de Transmetteur de Niveau à flotteur

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Figure 117 : Niveau à flotteur à Transmission Magnétique Le flotteur, résistant à la pression équipé d'un couple d'aimants coulisse le long d'un tube étanche, résistant à la pression, et qui laisse passer le champ magnétique. A l'intérieur du tube, se déplace, suspendu à un câble d'acier, un noyau formé d'un groupe d'aimants s'accouplant magnétiquement au flotteur en le suivant fidèlement. Le câble s'enroule sur un tambour réuni à l'aiguille indicatrice par un train d'engrenages. Ce déplacement angulaire peut être traduit en un signal analogique standard 4..20 mA au moyen d'un convertisseur électronique monté dans la tête indicatrice au bout du tambour. La transmission du déplacement du flotteur se fait donc avec une étanchéité parfaite, d'où une utilisation possible avec les liquides corrosifs, sous haute pression ou haute température.

Figure 118 : Exemple Niveau à flotteur à Transmission Magnétique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Ce type d’instrument est beaucoup plus utilisé en détection de niveau. L'appareil est constitué d'un tube de guidage autour duquel un flotteur équipé d'un aimant permanent commute sans contact mécanique les contacts électriques bistables type "reed" situés dans le tube. Dans ce tube de guidage se trouve une chaîne de résistances électriques et une chaîne de relais reed associées. Le déplacement du flotteur fait basculer les contacts des relais reed à la montée, ceux-ci reprenant leur position initiale à la descente. A partir d'une tension fixe, la variation de résistance obtenue permet de fournir une tension proportionnelle au niveau, au pas (espacement vertical) des relais près. Ce pas peut être de 10 mm ce qui fait une résolution de 1 % sur une étendue de mesure de 1 m. La tension prélevée sur la chaîne de résistances est traduite en un signal analogique standard (ex: 4..20 mA) proportionnel au niveau par un transmetteur.

Figure 119 : Niveau à flotteur « reed »

8.2.3.2. Avantages Mesure directe de la hauteur de liquide, indépendante de la masse volumique du liquide. Mesure précise d'un niveau "calme" sur une grande étendue de mesure (plusieurs mètres). Par exemple, précision de quelques mm sur une étendue de mesure de 1 m, soit de l'ordre de ± 0,5 %. Dispositif simple et d'un coût très raisonnable.

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8.2.3.3. Inconvénients Mesure ne convenant qu'aux liquides. Contact avec le liquide (flotteur) et avec d'éventuelles vapeurs ce qui pose problème avec les produits corrosifs ou chargés (dépôts). Sensibilité aux vagues et remous à la surface du liquide (oscillations du flotteur). Entretien nécessaire (mécanique, usure car déplacements, corrosion ou dépôts dus au contact avec le liquide).

8.2.4. Niveau à Palette Magnétique 8.2.4.1. Principe et fonctionnement Une bouteille faisant office de chambre de mesure est en communication avec le réservoir. Par le principe des vases communicants, le niveau dans la bouteille et dans le réservoir sont identiques. Un flotteur se déplace dans la chambre de mesure (matériau non magnétique : acier inoxydable) et suit le niveau du réservoir. Il comporte, à hauteur de la ligne de flottaison, un aimant en forme de tranche d’ananas qui retourne au passage une série de petites palettes aimantées mobiles, polarisés, se verrouillant magnétiquement les unes aux autres et disposées en échelle sur toute la hauteur contrôlée. La face des palettes sous le flotteur est d’une couleur, celle des palettes retournées au dessus, d’une autre. La visibilité est donc très bonne. Figure 120 : Exemple d’Indicateur à palettes magnétique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Remarque : La résolution est au mieux égale à la hauteur d’une palette, soit de l’ordre du centimètre. Quant à la précision, elle n’est pas excellente, car plusieurs petites palettes participent au basculement à la hauteur du point de mesure. S’ajoute à cette imprécision l’erreur de profondeur d’immersion du flotteur, souvent de type allongé. Ces appareils sont d’emploi courant sur des hauteurs de quelques mètres et pour des pressions parfois élevées, dépassant les 100 à 200 bar (400°C) ; ils présentent l’avantage de ne pas comporter de presse-étoupe. Le système des palettes est contenu dans un boîtier étanche, avec une vitre frontale. Pour les implantations hors bâtiments, il faut se méfier des condensations, des pénétrations de vapeurs et de gaz corrosifs, de poussières finissant par altérer la mobilité des palettes. L’aimant interne peut, en outre, attirer des particules magnétiques freinant son mouvement.

8.2.4.2. Caractéristiques Produits mesurés : liquides Précision : +/- 2mm Graduation : réglettes graduées en mètres, centimètres ou volume

8.2.4.3. Avantages et Inconvénients Aucun Contact entre le liquide et l’indication Accouplement magnétique indécrochable Réglage possible de la lecture selon la densité du fluide Raccordement latéral ou axial Avec enveloppe de réchauffage ou de refroidissement Peut servir à la détection ou à la mesure de niveau Nous pouvons aussi ajouter des contacts sur ce type d’appareil ou un convertisseur de mesure.

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8.2.4.4. Maintenance Le flotteur est bloqué dans la chambre de mesure, il faut : Isoler l’instrument à l’aide des vannes d’isolement situées sur chaque prise d’impulsion. Purger l’instrument à l’aide du bouchon de purge. Nettoyer l’instrument car le plus souvent le flotteur se bloque à cause de dépôts de particules dans la chambre de mesure. Les palettes magnétiques sont elles figées à un certain niveau de mesure : Prenez un aimant et faites le glisser sur les parois de la chambre de mesure jusqu’à ce que les palettes se remettent en place.

8.3. MESURE INDIRECTE 8.3.1. Par la mesure de pression hydrostatique Théorème de Pascal : la pression en un point d’un liquide ne dépend que de la hauteur du liquide au dessus de ce point et de la nature du fluide (masse volumique).

8.3.1.1. Principe La mesure du niveau est ici basée sur la connaissance de la pression en un point particulier et avec un produit dont la masse volumique reste constante. En effet, si le produit  x g est une constante alors la pression sera fonction UNIQUEMENT de la hauteur.

8.3.1.2. Mesure de niveau sur un bac à ciel ouvert En prenant ce principe de mesure, comme nous l’avons vu dans le rappel si nous connaissons la masse volumique du produit, la pression : nous avons alors la hauteur du liquide. Exemple : Nous considérons que nous avons une pression de 200 mbar avec un liquide qui est de l’eau (masse volumique = 1000kg/m³).

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Quelle sera la hauteur de liquide ? P (kPa) =  (kg/m³) x g x h (m) H = P / ( x g) H= 20000 / (1000 x 10) H = 2m

Transmetteur Pression différentielle h

HP BP

Prise d’impulsion Figure 121 : Exemple de mesure de niveau sur un bac à ciel ouvert

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8.3.1.3. Mesure de niveau sur un bac à ciel fermé

Figure 122 : Exemple de mesure de niveau sur un bac à ciel fermée C’est le même principe de mesure à part que nous avons une pression différente de la pression atmosphérique sur la BP du transmetteur.

8.3.1.4. Maintenance Les problèmes que vous pourrez rencontrez sur ce type de mesure sont : Prise d’impulsion HP bouchée. Transmetteur de pression HS. Erreur de mesure : refaire un réglage du zéro. Attention : Si le transmetteur est installé à une certaine hauteur en dessous du piquage de la prise d’impulsion HP, il faut impérativement tenir compte de celle-ci car sinon vous aurez toujours une erreur de mesure qui correspondra à la hauteur manquante. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 123 : Exemple décalage positif du zéro sur bac à ciel ouvert

Figure 124 : Exemple décalage négatif du zéro sur bac à ciel fermé Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.3.2. Mesure de niveau par plongeur 8.3.2.1. Principe Basé sur le principe d'Archimède, ce dispositif de mesure a eu un grand succès dans le passé. Il est encore présent dans de nombreuses installations industrielles, mais en perdant du terrain par rapport aux systèmes de mesure hydrostatique ou sans contact comme le radar.

Figure 125 : Schéma de principe d’un plongeur Le plongeur est un tube métallique cylindrique d'axe vertical bouché de manière étanche (soudé) à ses deux extrémités et accroché à un dispositif de pesage. Sur l'animation cidessus, ce dispositif est un simple ressort dont l'étirement est proportionnel à la force exercée sur son extrémité mobile. Quand le niveau du liquide à mesurer est bas, le plongeur n'est pas immergé et le poids mesuré (la force FPA représentée par la flèche bleue sur l'animation) est égal au poids propre du plongeur Po. Quand le liquide immerge le plongeur, la force mesurée F PA est le poids apparent du plongeur égal à la différence entre le poids propre du plongeur Po et la force de poussée d'Archimède PA exercée par le liquide (poids du liquide déplacé). FPA diminue lorsque le niveau d'immersion H augmente. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 126 : Schéma de principe avec plongeur immergé Soit L la hauteur du plongeur. Il est immergé partiellement dans le liquide de masse volumique r, la hauteur d'immersion étant le niveau à mesurer H. Bien qu'étant creux, le plongeur est lesté par du sable ou des petites billes métalliques afin d'avoir une masse M telle qu'il coule si on l'abandonne dans le liquide sans le retenir, d'où l'appellation de plongeur et non pas flotteur. Accroché par sa tige à un levier, grâce à un ressort antagoniste, il ne se déplace que de quelques mm, valeur faible par rapport à sa longueur qui est l'étendue de mesure et peut aller de 0,35 m à plusieurs mètres. Le poids du plongeur est la force Po dont le module est Po = M.g. Le plongeur étant immergé dans le liquide sur une hauteur H, le liquide exerce sur lui une force de poussée d'Archimède PA verticale mais dirigée de bas en haut donc s'opposant au poids Po. Le module de PA est PA =  . g . Vi =  . g . S . H =  . g . (p . D2 / 4) . H Le poids apparent du plongeur est la force FPA dirigée vers le bas comme Po et de module FPA = Po - PA = M . g -  . g . S . H Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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A condition que la masse volumique du liquide r soit constante, le poids apparent a donc un module FPA = a – b . H (a et b sont des constantes) Avec une masse volumique constante, les variations du poids apparent sont donc inversement proportionnelles aux variations du niveau H à mesurer. La courbe correspondante est une droite de pente négative car quand H augmente, FPA diminue. A la partie supérieure, un dispositif électromécanique traduit le poids apparent mesuré F PA (d'abord mis sous forme d'un déplacement d par le ressort) en un signal électrique proportionnel au niveau H.

8.3.2.2. Mesure dynamométrique

Figure 127 : Principe d’une Mesure Dynamométrique Un ressort a une extrémité fixée à un support rigide, le plongeur étant suspendu à l'autre extrémité. Les variations du poids apparent du plongeur sont traduites en un déplacement proportionnel par un ressort dont l'étirement est proportionnel à la force de traction exercée par ce plongeur. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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On obtient donc un déplacement proportionnel aux variations du niveau H. Une transmission magnétique, sans frottements et d'une étanchéité parfaite, est réalisée par un tube métallique non ferreux bouché laissant le noyau mobile solidaire du plongeur modifier la valeur d'une inductance variable. Un dispositif électronique traduit ensuite la valeur de cette inductance en un signal de mesure électrique standard. Sur le schéma ci-dessus, le transmetteur n'est pas monté sur le réservoir même, mais sur un tube communicant avec le réservoir. Ce tube est parfois appelé "bouteille" de niveau. Cette "bouteille" peut être raccordée au réservoir avec deux robinets d'isolement et un robinet de purge afin de permettre une intervention sur le dispositif de mesure sans que cela nécessite l'arrêt de l'installation et la vidange du réservoir.

8.3.2.3. Tube de torsion

Figure 128 : Schéma de principe d’un Tube de Torsion Le plongeur est accroché à l'extrémité d'un levier rigide. Ce levier est soudé à l'extrémité libre en rotation d'un tube métallique (le tube de torsion) dont l'autre extrémité est soudée sur une bride fixée sur le réservoir. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Les variations du poids apparent du plongeur font donc tourner l'extrémité libre de ce tube dans un mouvement de torsion. Par une tige soudée à l'intérieur et au fond du tube de torsion, ce petit déplacement angulaire (de quelques degrés seulement) est transmis à un dispositif électrique de traduction du déplacement en un signal standard 4..20 mA. Figure 129 : Exemple de Transmetteur à Tube de Torsion Le tube de torsion est donc un ressort traduisant le poids apparent du plongeur (force) en un déplacement proportionnel tout en réalisant une étanchéité parfaite entre l'intérieur du réservoir et l'intérieur du boîtier du transmetteur. C'est pourquoi ce dispositif est très bien adapté aux mesures du niveau d'un réservoir fermé sous haute pression.

8.3.2.4. Mesure d’un niveau interface Poids apparent du plongeur: FPA = M . g – S . 1 . g . H – S . 2 . g . (L - H) Donc FPA = a – b . H avec a = M . g – S . 2 . g . L et b = S . (1 - 2) . g Figure 130: Mesure niveau interface Le poids apparent est donc ici aussi inversement proportionnel au niveau interface H à condition que les masses volumiques des deux liquides soient constantes. Stabilité du plongeur Le plongeur a tendance à osciller autour de son point d'attache. En effet, son poids qui s'exerce au centre de gravité et la poussée d'Archimède du liquide déplacé qui s'exerce au centre de poussée créent un couple. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 131: Stabilité plongeur Ce couple déséquilibre le plongeur et amplifie le mouvement. En lestant le plongeur, on descend le centre de gravité ce qui inverse le sens d'action du couple et stabilise le plongeur. Il est quand même parfois nécessaire de guider le plongeur avec une "cage" qui est un cylindre percé de trous dans lequel le plongeur peut se déplacer verticalement sans se balancer.

8.3.2.5. Avantages et Inconvénients Avantages : Bonne précision (environ ± 0,5%) et loi linéaire si la masse volumique  est bien connue et ne varie pas Étanchéité parfaite, donc bonne adaptation à la mesure du niveau d'un réservoir sous haute pression de sa phase gazeuse. Mesure non influencée par les mousses à la surface du liquide L'appareil peut être monté sur une bride en haut du réservoir ou sur une "bouteille" en dérivation isolable du réservoir par deux robinets et avec robinet de purge. réglage et étalonnage pouvant s'effectuer à l'atelier Inconvénients : Plongeur en mouvement et en contact avec le liquide. Les dépôts solides sur ce plongeur ou son usure par corrosion faussent la mesure Mesure perturbée par les mouvements du liquide Influence de la masse volumique  sur la mesure du niveau Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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ne convient pas avec les produits pulvérulents, granuleux ou colmatants dispositif de mesure nécessitant une ouverture en haut du réservoir ou deux "piquages" sur le côté du réservoir Coût d'achat et d'entretien important (transmetteur + plongeur + accessoires)

8.3.2.6. Maintenance Plutôt que d'effectuer cette opération sur site avec le niveau bas (H = 0) ou le niveau haut (H = Hmax), avec ce principe de mesure il est possible de régler ou d'étalonner le transmetteur en atelier. Pour cela, on calcule le poids apparent du plongeur pour le niveau minimal (c'est le poids propre du plongeur pour un niveau simple avec H min = 0) et pour le niveau maximal, et on remplace le plongeur par un plateau sur lequel on pose des masses étalon, le poids total (masses + plateau) correspondant au poids apparent calculé. A l'atelier, il est aussi possible d'immerger le plongeur (s'il n'est pas trop long) dans le liquide contenu dans un seau ou dans de l'eau en ayant calculé la hauteur équivalente à celle du liquide compte tenu de sa masse volumique.

8.3.3. Niveau par palpeur électromécanique Ce principe, déjà ancien, est encore assez utilisé. Mais il est particulier car il s'agit d'une mesure discontinue, l'information sur le niveau n'étant pas instantanée mais remise à jour périodiquement. Un poids (le palpeur) est suspendu à un câble (ou une bande) passant sur une poulie suspendue à un ressort. Un moteur à deux sens de marche fait descendre ou monter le poids en enroulant ou déroulant le câble sur un tambour. Le déplacement du câble, donc du poids est mesuré avec précision au niveau du tambour. Au départ, le poids est remonté. La mesure est périodique. Elle s'effectue de la manière suivante. Le moteur déroule le câble pour faire descendre le palpeur. Lorsque celui-ci atteint le liquide, la poussée d'Archimède l'allège, ce qui diminue la tension du câble et fait remonter la poulie, d'où le changement d'état du contact électrique qui arrête le moteur et commande la prise en compte de la mesure du niveau (H = 6 m sur l'animation). Après cela, commande de la remontée du poids pour terminer le cycle. Un transmetteur mesurant la rotation du tambour permet d'obtenir un signal analogique standard 4..20 mA. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 132 : Schéma de principe du Palpeur électromécanique Cette mesure est précise, mais discontinue. Avec un palpeur de forme adaptée, elle peut aussi être utilisée pour la mesure de niveau de solides en poudre, en grains (ex: silo de blé) ou en vrac (ex: pierres), avec des étendues de mesure pouvant atteindre 70 mètres. Ne pas placer le palpeur dans la zone de remplissage du réservoir

8.3.3.1. Avantages Mesure directe de la hauteur de liquide, donc simple et par conséquent fiable (comme le serait un jaugeage manuel avec une simple pige). Mesure convenant à presque tous les produits :liquides (visqueux ou non, corrosion importante) ou solides quelque soit leur granulométrie. Mesure très précise : +/- 0.1%

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Mesure très peu dépendante de la masse volumique du liquide et indépendante des autres caractéristiques physiques ou électriques du produit.

8.3.3.2. Inconvénients Contact avec le liquide et sa vapeur (corrosion, dépôts,…) pouvant détériorer le palpeur et le câble en particulier, et nécessite un entretien important donc coûteux (usure mécanique). Mesure périodique, incapable de suivre un niveau évoluant rapidement. Ne convient pas en cas de pression élevée (au dessus de quelques bar) ou de température élevée (ex : au dessus de 150°C). Trou ou Bride nécessaire en haut du réservoir.

8.3.4. Niveau Bulles à Bulles 8.3.4.1. Généralités L’un des problèmes difficiles à résoudre dans la mesure des hauteurs reste tout de même celui de l’encrassement des prises aboutissant au capteur manométrique. L’astuce, ici consiste à utiliser un gaz ou de l’air tampon, cette idée conduit à la solution du bullage ou bulle à bulle.

8.3.4.2. Principe Le système comporte : Une canne d'injection. Un Rotamètre. Un filtre manodétendeur. Un capteur de pression Figure 133 : Principe du « bulle à bulle » Le gaz intermédiaire, généralement mais pas nécessairement l’air, passe dans un filtre manodétendeur qui en régularise le débit. Puis dans un Rotamètre qui en contrôle Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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l’importance, et est insufflé à la base du réservoir où se trouve le liquide dont on désire mesurer le niveau. La canne d’insufflation est prévue pour résister à la corrosion. Simple tube, elle peut être réaliser en n’importe quel matériau (cuivre, PVC, PTFE,….). A sa partie inférieure, elle est taillée en V pour faciliter l’échappement des bulles et par la même occasion augmenter la précision. On règle le débit pour que, au niveau le plus haut, des bulles s’échappent de la canne et il reste à mesurer la pression au point le plus haut (P =  x g x h). La hauteur manométrique du gaz est négligeable devant celle du liquide jaugé et, comme le débit est faible (environ 3 l/h, ce qui correspond à une bulles toutes les une à deux secondes), la perte de charge est négligeable aussi. Par conséquent, toutes natures de capteurs de pression (transmetteur de pression différentielle, de pression relative, manomètres) reflètent fidèlement la hauteur du liquide. Pour avoir une image exacte de la pression au fond d’un bac, il suffira de décaler le zéro du capteur de pression. Exemple : Un bac n’est pas entièrement vide et à l’écran le capteur de niveau vous indique 0% et bien il suffit de vider entièrement le bac et vous décaler le zéro du transmetteur.

8.3.4.3. Avantages et Inconvénients Méthode qui s’impose dans le cas des cuves enterrées, des liquides agressifs pour le transmetteur (acide,…) et plus encore lorsqu’un environnement dangereux rend difficiles les interventions, même les plus simples. Nécessite l’entretien d’une ou de plusieurs lignes de bullage Malheureusement, les filtres manodétendeurs (régulateur de débit) qui sont commercialisés n’ont pas une sensibilité suffisante, le gain est inférieur à 10 et il subsiste des variations de débit non négligeables. De plus, comme toutes les méthodes de mesure de niveau indirecte, elle nécessite que la masse volumique reste constante.

8.3.4.4. Maintenance Il faut toujours contrôler à ce que le Rotamètre régule bien le d’air ou de gaz. Il faut régler le manodétendeur à 1 bar maximum, vous pouvez mesurer jusqu’à 10 m de hauteur c’est largement suffisant pour ce type de méthode de mesure. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Attention : Il faut faire très attention à ce que nous avions toujours un débit d’air constant car si nous n’insufflons plus par la canne, le liquide agressif peut remonter jusqu’au transmetteur de pression et soit boucher la prise d’impulsion ou soit attaquer la cellule de mesure du transmetteur.

8.3.5. Niveau Capacitif 8.3.5.1. Rappel La mesure de niveau capacitive n'est pas aussi utilisée que la mesure de pression hydrostatique mais peut l'être dans une grande variété d'applications: liquides conducteurs ou non, solides en vrac, vide ou hautes pressions, basses ou hautes températures, zones explosives. Mesure indirecte, elle nécessite de posséder quelques notions de base en électricité sur le condensateur. Le condensateur Le condensateur est formé par deux armatures métalliques séparées par un isolant électrique appelé diélectrique.

Figure 134: Le condensateur Le condensateur est caractérisé électriquement par sa capacité C dont la relation la liant à ses caractéristiques géométriques est donnée ci-dessous. Le diélectrique peut être le vide, l'air sec, un solide isolant, un liquide isolant tel que l'essence ou tout autre hydrocarbure, ou même de l'eau parfaitement pure. C=.S/e C: capacité du condensateur en Farads (F) S: surface des armatures (en m2). Ci-dessus S = L x l e: distance entre armatures (en m) : constante du diélectrique, avec  = 0. r 0 est la permittivité du vide (0 = Cte = 8,85.10-12 F/m) r est la permittivité relative du diélectrique par rapport au vide. r=1 pour le vide ou l'air et r>1 pour les liquides isolants.

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Retenir simplement que cette capacité C est proportionnelle à la surface S des armatures (donc à la hauteur l pour une longueur L donnée) et inversement proportionnelle à la distance e entre ces armatures. Cas d'un condensateur cylindrique Dans ce cas, la capacité du condensateur est donnée par la relation C = e . 2p . l / ln (r1 / r2) l est la hauteur du condensateur (en m), ln est le logarithme népérien, r1 est le rayon intérieur de l'armature extérieure (tube métallique), r2 est le rayon de l'armature intérieure (tige cylindrique métallique pleine), e=e0.er est la constante du diélectrique définie précédemment. La capacité C est ici aussi proportionnelle à la hauteur l du condensateur. Calculons la valeur de la capacité C d'un condensateur cylindrique constitué par une tige cylindrique verticale de 1 m de haut et 10 mm de diamètre (armature intérieure) située au centre d'un réservoir métallique cylindrique d'axe vertical de diamètre intérieur égal à 2 m. Le diélectrique est de l'air de permittivité relative e =1. Figure 135: Condensateur cylindrique C = 1 . 8,85.10-12 . 2 . 3,1416.1 / ln (2 / 0,01) soit C = 10,49.10-12 F = 10,49 pF (picoFarad) Cette valeur est très faible. Si le réservoir est rempli d'hydrocarbure liquide tel que le kérosène, de permittivité relative e = 2, la capacité C aura une valeur égale à 21 pF ce qui est encore très faible. Figure 136: Symbole du condensateur La mesure de cette capacité est donc délicate du fait de la faiblesse des valeurs mesurées, l'influence des parasites étant très grande. Capacité équivalente C = C1 + C2 Figure 137: Condensateur en parallèle Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.3.5.2. Principe L'installation avec le dispositif de mesure visualisés sur la figure ci-dessous sont constitués des éléments suivants: un réservoir métallique fermé sous pression de gaz ou de vapeur, de forme cylindrique, d'axe vertical. C'est l'armature extérieure du condensateur de mesure une tige métallique de forme cylindrique pleine, d'axe vertical, située au centre du réservoir et isolée électriquement de celui-ci. C'est l'armature intérieure du condensateur. la phase gazeuse (en blanc) ou liquide (en vert) située entre le réservoir et la tige. C'est le diélectrique du condensateur. La permittivité relative du gaz est e r=1 et nous prendrons pour le liquide la valeur e r=2. Le liquide peut monter ou descendre dans le réservoir, les circuits de remplissage et de vidange n'étant pas représentés. un appareil de mesure de la capacité de ce condensateur, appelé capacimètre, relié par deux fils à l'extrémité supérieure de la tige et à la partie supérieure du réservoir (bride métallique).

8.3.5.3. Liquide non conducteur Quand le niveau est très bas, la tige n'étant pas immergée dans le liquide, on mesure la capacité C d'un condensateur dont le diélectrique est le gaz (ou la vapeur). Quand le niveau est à son maximum, la tige étant complètement immergée dans le liquide, on mesure la capacité C d'un condensateur dont le diélectrique est le liquide. Cette capacité est donc égale au double de la précédente compte tenu des valeurs respectives des permittivités relatives du gaz (vapeur) et du liquide. Quand le niveau a une valeur intermédiaire, la tige étant partiellement immergée dans le liquide, on mesure une capacité C de valeur intermédiaire égale à la somme des capacités C1 et C2 de deux condensateurs reliés en parallèle dont le diélectrique est le gaz (vapeur) pour C1 et le liquide pour C2. H est le niveau de liquide mesuré par rapport à l'extrémité inférieure de la tige et non pas par rapport au fond du réservoir. C'est donc la hauteur d'immersion de la tige dans le liquide. l est la hauteur maximale d'immersion de la tige dans le liquide erL et erG sont les permittivités relatives du liquide et du gaz (ou de la vapeur).

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r1 est le rayon intérieur du réservoir et r2 le rayon de la tige. Le rapport de ces deux rayons est donc égal au rapport des deux diamètres correspondants.

Figure 138 : Schéma de Principe de Mesure Niveau Capacitif C2 = erL . e0 . 2p . H / ln (r1 / r2) C1 = erG . e0 . 2p . (l - H) / ln (r1 / r2) C = C1 + C2 soit C = e0 . 2p . [(erL - erG) . H + erG . l] / ln(r1 / r2) Donc, si erL et erG sont constantes, C = a . H + b La relation est alors linéaire. Un circuit électronique doit ensuite traduire cette capacité en un signal standard (analogique 4..20 mA par exemple). Remarques: En réalité, le fond et le haut du réservoir modifient la valeur de la capacité mesurée. Un réglage du zéro sur le site permet de ne pas s'en soucier. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Si la permittivité relative erL du liquide n'est pas constante, par exemple du fait d'une composition variable, il est possible de faire une compensation automatique en mesurant en permanence la capacité d'un condensateur de référence toujours entièrement immergé dans ce même liquide. Réservoir métallique (jouant le rôle d'armature du condensateur)

Figure 139 : Exemple réservoir métallique (devient conducteur) La tige est isolée du réservoir par du P.T.F.E. (téflon) qui assure aussi l'étanchéité. Le plus souvent, cette tige est protégée par un revêtement isolant peu épais (ex: P.T.F.E., P.V.C., céramique) ce qui ne modifie quasiment pas la valeur de la capacité mesurée. La hauteur de cette tige ne dépasse pas 4 m. Au-delà, on installe un câble métallique terminé par un contrepoids. Un câble coaxial est nécessaire pour protéger la mesure des parasites électriques sur la distance entre la sonde et le circuit réalisant le traitement électronique. On peut s'en passer en plaçant dans la tête de sonde le circuit de mesure et de traduction en signal standard.

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Réservoir non métallique (par exemple en PVC ou en béton)

Figure 140 : Exemple avec réservoir non métallique Comme le montre le schéma ci-dessus, le condensateur est alors constitué de la tige verticale autour de laquelle un tube cylindrique métallique (percé de quelques petits trous à sa partie supérieure) joue le rôle de la seconde armature. La distance entre les deux armatures du condensateur étant beaucoup plus petite, cela augmente la valeur de la capacité mesurée donc améliore la mesure mais en contrepartie cela facilite le colmatage. Il est aussi possible de disposer une large feuille métallique contre la paroi extérieure du réservoir. Cette feuille sera la seconde armature du condensateur.

8.3.5.4. Avec Liquide Conducteur La mesure capacitive est encore utilisable dans ce cas. Le condensateur est alors constitué par une tige métallique obligatoirement entourée entièrement d'une gaine assez mince en matière plastique isolante (ex: P.T.F.E.) et le liquide. La tige est la première armature du condensateur, le diélectrique n'est constitué que de la gaine isolante, et le liquide conducteur qui l'entoure est la seconde armature. Ce liquide est en contact avec le métal du réservoir (ou avec une autre électrode Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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métallique si le réservoir est en plastique) qui assure la liaison de masse.

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Lorsque la sonde n'est pas immergée dans le liquide, le condensateur est constitué par la tige et le réservoir, le diélectrique étant principalement la phase gazeuse qui les sépare d'où une faible capacité C0.

Figure 141 : Exemple Liquide Conducteur Lorsque le niveau atteint la sonde et monte, la capacité C0 du condensateur précédent diminue mais s'y additionne la capacité C1 du condensateur constitué par la tige, la gaine et le liquide. C1 est prépondérante car la distance entre armatures e est faible car égale à l'épaisseur de la gaine isolante. Cette gaine isolante ayant une épaisseur et une permittivité relative constantes, C 1 varie proportionnellement au niveau H d'immersion de la sonde dans le liquide. Donc, la capacité totale mesurée C est là aussi liée à H par la relation C = a . H + b De plus, gros avantage: elle n'est pas influencée par les caractéristiques électriques du liquide qui doit toutefois posséder une conductivité minimale.

8.3.5.5. Maintenance Très peu de maintenance sur ce type d’instruments de mesure. Il faut nettoyer de temps à temps la sonde capacitive.

8.3.5.6. Avantages et Inconvénients Avantages : utilisable dans un grand nombre d'applications (liquide conducteur ou non conducteur électrique, solide isolant, pulvérulent, granuleux, en vrac, liquide agité ou moussant, basses ou hautes pressions, basses ou hautes températures, zone explosive, ...) Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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bonne robustesse. mesure indépendante de la masse volumique du liquide, et dans de nombreux cas, mesure indépendante de la pression et de la température avec un liquide conducteur, seule la gaine plastique isolante de la sonde est en contact avec le produit, donc le fluide peut aussi être corrosif mesure linéaire et d'assez bonne précision si les constantes diélectriques du produit isolant (< L) et du gaz (< G) ne varient pas ou avec un liquide conducteur. L'incertitude globale peut être inférieure à ±1%. * Remarque: une compensation des variations de la valeur de < L est possible avec un condensateur de référence constamment immergé dans le produit. étendue de mesure pouvant aller de quelques dizaines de cm à plus de 10 mètres (silo à blé par exemple) peu d'entretien nécessaire. Pas de pièce en mouvement. coût global souvent intéressant Inconvénients : sonde en contact avec le produit (risque de corrosion avec une sonde métallique non gainée, de dépôts, de colmatage, ...) mesure dépendant de la valeur des constantes diélectriques du produit lorsqu'il est isolant et de la phase gazeuse. Par exemple, les variations de la température peuvent avoir une influence. inutilisable avec les produits colmatants s'accrochant à la sonde ou aux parois du réservoir et faussant la mesure, mais une mesure de la résistance électrique du produit en plus de la capacité (sonde par admittance) peut parfois résoudre le problème. du fait de la faible valeur de la capacité mesurée, la mesure est délicate, sensible aux parasites électriques (orages, ondes électromagnétiques, ...) et à la présence de masses métalliques (par exemple, un camion stationné près du réservoir) qui changent la valeur de cette capacité contraintes mécaniques du produit sur la sonde possibles (ex: produit en vrac, agitation) dispositif de mesure nécessitant une ouverture en haut du réservoir ou deux "piquages" sur le côté du réservoir pour une mesure en dérivation nécessite un étalonnage sur site avec vidange de la cuve Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.4. MESURE SANS CONTACT 8.4.1. Niveau à Ultra-Son 8.4.1.1. Rappel L'onde sonore ou ultrasonore est une onde mécanique due à une vibration des molécules de la matière. Elle se propage dans toutes les directions, donc de manière sphérique, grâce à un support matériel. Ce support peut être solide comme une structure métallique qui vibre, liquide, ou gazeux (ex: air atmosphérique, vapeur). Cette onde ne peut donc pas se propager dans le vide, contrairement à une onde électromagnétique. De plus, il faut la guider pour qu'elle se propage dans une direction donnée. C'est ce que fait le cône d'un porte-voix ou d'un haut parleur.

Figure 142: Mesure par ultrason L'oreille perçoit les vibrations des molécules de l'air atmosphérique qui produisent des variations périodiques de sa pression. En dessous de 16000 Hertz (Hz), ces ondes sont dites sonores, audibles au dessus de quelques dizaines d'Hertz. Au dessus de 16000 à 20000 Hz (20 kHz), se situe le domaine des ultrasons, inaudibles par l'homme mais audibles par certains animaux (ex: chiens, chauve-souris).

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Le son se propage à une vitesse de plusieurs km/s dans un solide (ex: 5 km/s dans l'acier), de l'ordre du km/s dans un liquide (ex: 1435 m/s dans l'eau à 8°C) et de quelques centaines de m/s dans les gaz (ex: 331 m/s dans l'air à 0°C). Mais dans un gaz, cette vitesse dépend fortement du milieu (composition, pression, température; par exemple une élévation de température de 1°C augmente la vitesse de propagation du son dans l'air de 0,6 m/s). L'onde sonore ou ultrasonore est réfléchie, comme un rayon lumineux, par les surfaces solides, mais aussi par les surfaces liquides. Dans le cas d'un liquide, celui-ci absorbe une partie de l'onde et réfléchit l'autre partie: c'est l’écho. Nombreuses applications civiles ou militaires, par exemple: Le sonar. C'est un appareil de détection sous-marine, utilisant les ondes sonores, et permettant le repérage, la localisation et l'identification du fond de la mer ou des objets immergés tels que les sous-marins. L'échographie. Cette technique, qui ne présente aucun danger, permet par exemple d'examiner le foetus de l'extérieur du ventre de la mère.

8.4.1.2. Principe La tête d'émission / réception émet une onde ultrasonore de manière discontinue, sous forme de brèves impulsions ultrasonores à intervalles de temps constants (ex : 25 fois par seconde). Cette onde est dirigée verticalement sous forme d'un faisceau conique en direction de la surface du liquide dont on mesure le niveau. Le liquide absorbe une partie de cette onde, l'autre partie (l'écho) étant réfléchie en sens inverse vers la tête d'émission / réception dans laquelle se trouve un récepteur détectant le retour de l'écho. La mesure précise du temps t qu'a mis l'onde pour aller jusqu'à la surface du liquide et revenir sous forme d'un écho permet d'en déduire la hauteur de creux H c = Hmax - H, donc le niveau H. Appelons V la vitesse de propagation de l'onde ultrasonique dans la phase gazeuse ou vapeur située au-dessus du liquide dans le réservoir. Le temps que met l'onde pour aller de l'émetteur jusqu'au liquide et revenir sous forme d'un écho jusqu'au récepteur est : t = 2 . (Hmax - H) / V d'où H = Hmax - (V . t / 2) Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 143: Principe ultrason On a donc une relation linéaire entre H et t. Pour une vitesse V donnée, le niveau H est inversement proportionnel au temps t mesuré par le chronomètre électronique. L'appareil fait le filtrage nécessaire (élimination des échos parasites), traduit le temps t mesuré en un signal de mesure standard (ex: 4..20 mA) en effectuant d'éventuelles corrections (ex: pour tenir compte de l'influence de la température de la phase gazeuse). On peut par exemple facilement vérifier que pour V = 330 m/s et une distance de creux (Hmax - H) égale à 1 mètre, le temps t mesuré est t = 2 . (Hmax - H) / V = 2 / 330 = 0,006 s soit 6 millisecondes(ms). L'onde utilisée est le plus souvent ultrasonore donc silencieuse pour l'homme, d'une fréquence de vibration constante pouvant aller de 10 kHz à 100 kHz, par exemple 40 kHz. Les ultrasons permettent d'obtenir une meilleure précision. Les ondes audibles, de moins en moins utilisées, permettent de mesurer des grandes distances de creux car elles sont moins atténuées par la propagation. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.4.1.3. Descriptif

Figure 144 : Montage combiné (émetteur + récepteur) Le montage combiné émetteur + récepteur ne nécessite qu'une seule ouverture mais présente une plage morte (ex: 0,25 m pour une plage de mesure de 4 m). Pour produire une onde sonore, l'émetteur est un haut parleur (membrane vibrante solidaire d'une bobine excitée par un courant alternatif de fréquence égale à celle de l'onde et mobile dans un champ magnétique fixe créé par un aimant), prolongé par un cône directeur pour la guider et la diriger. Le récepteur est un microphone (membrane mise en vibration par l'onde sonore et déplaçant une bobine dans un champ magnétique créé par un aimant) générant ou modulant un signal électrique alternatif de même fréquence.

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Ce montage séparé de l'émetteur et du récepteur nécessite deux ouvertures dans la partie supérieure du réservoir mais ne présente pas de plage morte (zone située juste en dessous de l'émetteur et du récepteur en haut du réservoir, nécessaire pour mesurer un temps minimal non nul). Dans ce cas, il s'agit d'un élément piézocéramique commandé par de courtes impulsions électriques. Cet élément entre en oscillation et vibre à la fréquence du courant qui l'excite. Figure 145 : Montage Séparé Il s'agit de l'élément piézo-céramique vibrant sous l'effet de l'onde et générant ou modulant un courant électrique alternatif de même fréquence. Dans le montage combiné, c'est donc le même dispositif que pour l'émission, mais utilisé en sens inverse (réversibilité) lors de chaque mesure du temps t. La "tête" d'émission est donc aussi celle de réception (un seul boîtier monté en haut du réservoir). La sonde de température permet de corriger les variations de la vitesse de propagation dues aux variations de la température de la phase gazeuse. La membrane peut être réalisée en matériau résistant à la corrosion ou revêtue de cette matière (ex: P.T.F.E, P.V.D.F).

Figure 146 : Exemples de capteur transmetteur à ultrason Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.4.1.4. Avantages et Inconvénients Avantages : mesure sans contact, utilisable avec des produits très corrosifs, visqueux, et même parfois solides en vrac, pulvérulents, granuleux, ou colmatants (si la granulométrie du produit ou le "talus" formé ne posent pas de problème au niveau de l'écho renvoyé vers la sonde). mesure insensible aux changements de caractéristiques du produit dont on mesure le niveau (densité, conductivité, constante diélectrique, ...) montage facile, en haut de réservoir sans perçage du fond ou de sa paroi latérale prix intéressant pratiquement aucune maintenance nécessaire grande gamme d'étendues de mesure (variations de niveau de quelques dizaines de centimètres à plus de 60 mètres). élimination d'échos parasites à caractère systématique (ex: passage des pales d'un agitateur, obstacle fixe) et calcul du volume en fonction d'une géométrie particulière du réservoir (ex: fond conique) par un microprocesseur analysant et traitant le signal temps t reçu. Bonne précision (par exemple ± 3 mm, soit ± 0,3% sur une étendue de mesure de 1 m) si la surface du produit est calme et sans mousse réglage et étalonnage pouvant se faire en dehors du site , sans vidanger ou remplir le réservoir Inconvénients : mesure faussée par les modifications de la phase gazeuse changeant la vitesse de propagation de l'onde ultrasonique. La composition de la phase gazeuse peut varier (par exemple présence de vapeur, de gouttelettes d'eau ou de poussière en suspension), de même que sa masse volumique, sa pression (peu influente), sa température (forte influence, pouvant être corrigée par une sonde, mais celleci doit être située dans la phase gazeuse et la température doit y être homogène, ce qui pose problème) mesure faussée par une surface du liquide agitée (vagues) ou recouverte de mousse épaisse, ce qui modifie l'absorption ou la réflexion de l'onde ultrasonore. mesure inutilisable lorsque le réservoir est sous pression élevée ( > 10 bars) ou sous vide (propagation impossible), ou lorsque la sonde est à une température supérieure à 100°C Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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pour un montage combiné, plage morte c'est à dire distance minimale nécessaire entre la tête d'émission/réception et la surface du produit dont on mesure le niveau. précautions nécessaires pour éviter les échos parasites sur les obstacles autres que la surface du liquide et qui ne peuvent être éliminés par l'électronique. Exemple: le déversement de liquide dans le réservoir. Les chocs intempestifs ou les vibrations des parois du réservoir peuvent aussi générer des ondes sonores et ultrasonores parasites.

8.4.2. Niveau Radar 8.4.2.1. Généralités Cette mesure de niveau, apparue depuis quelques années seulement, est en forte progression. Elle est basée sur le même principe que la précédente, la différence se situant au niveau du type d'onde émise et détectée en écho. Au lieu d'une onde sonore ou ultrasonore, le radar utilise une onde électromagnétique haute fréquence (micro-onde). Les ondes électromagnétiques Comme l'onde sonore ou ultrasonore, l'onde électromagnétique est aussi une vibration, mais ce ne sont plus des molécules qui vibrent mais un champ magnétique. Ce champ magnétique varie de manière sinusoïdale, comme le fait la pression acoustique pour les ondes sonores et ultrasonores. L'onde électromagnétique est donc immatérielle, et ne nécessite pas de support solide, liquide, ou gazeux pour se propager. Elle se propage dans le vide comme dans un gaz, de manière sphérique. Sa propagation est très peu influencée par la composition et les caractéristiques physiques de la phase gazeuse au dessus du liquide dont on mesure le niveau. Seules, de grandes variations de pression de cette phase gazeuse ont une influence significative. Sa vitesse de propagation est celle de la lumière, soit 300000 km/s, la lumière étant elle aussi une onde électromagnétique. La lumière est une onde électromagnétique de très grande fréquence (de l'ordre de 10 15 Hz) donc de très petite longueur d'onde (L = C / f = 300000.103 / 1015 = 3.10-7 m = 0,3 mm, c'est à dire de l'ordre du micromètre ou micron), ce qui permet au soleil de nous éclairer à travers l'espace intersidéral. Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de grande fréquence (de l'ordre de 1010 Hz, soit une longueur d'onde L de l'ordre du millimètre). Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 147: Les ondes magnétiques De même en ce qui concerne les ondes hertziennes (radio, télévision, communications sans fil), dont la fréquence va de 104 Hz à 108 Hz (soit une longueur d'onde L de l'ordre du mètre à plusieurs milliers de mètres). Le radar utilise des micro-ondes d'une fréquence de l'ordre de 10 8 à 1010 Hz, donc du gigahertz (GHz). Leur longueur d'onde L est de l'ordre du millimètre jusqu'au mètre. Le radar a de nombreuses applications, telles que le repérage, le suivi et le guidage des avions ou des bateaux, ou la mesure de vitesse des véhicules sur les routes, pour ne parler que des plus connues.

8.4.2.2. Principe Le principe de mesure utilisé le plus fréquemment est exactement le même que celui d'une mesure par ondes sonores ou ultrasonores. Le dispositif mesure le temps t que met l'onde pour aller jusqu'au liquide et revenir après réflexion par la surface du liquide sous forme d'écho. Mais ce temps t est ici très différent. Il passe en effet de l'ordre de la milliseconde (ms) à celui de la nanoseconde (1ns = 10-9s), la vitesse de propagation passant de quelques centaines de mètres par seconde à 300000 km/s. D'autre part, le liquide absorbe la puissance rayonnée par l'onde électromagnétique Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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d'autant plus que sa constante diélectrique relative e R est faible. L'écho obtenu avec un solvant, un hydrocarbure ou certains solides (e R de l'ordre de 1 à 3) est donc beaucoup plus faible que celui obtenu avec un liquide conducteur comme l'eau (e R=80), ce qui peut poser problème car l'écho reçu doit être correctement détecté.

Figure 148: Principe niveau radar Comme pour une mesure par onde sonore ou ultrasonore, le dispositif n'émet pas l'onde électromagnétique en continu, mais de manière discontinue, à intervalles de temps constants (ex: 0,3 ms) et d'une durée brève (ex: 0,8 ns) C'est une onde pulsée (train d'onde). Cela permet de mesurer le temps t (de propagation + réflexion de la brève impulsion d'onde) et économise l'énergie électrique nécessaire.

Figure 149: Ondes radar Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Ce temps t mesuré est donc lié au niveau H par la même relation que dans le cas de l'onde sonore ou ultrasonore. Appelons C la vitesse de propagation de l'onde électromagnétique dans la phase gazeuse ou vapeur située au-dessus du liquide dans le réservoir. C=3.108m/s. Le temps que met l'onde pour aller de l'émetteur jusqu'au liquide et revenir sous forme d'un écho jusqu'au récepteur est t = 2. (Hmax - H) / C D’où H = Hmax - (C . t / 2) Une astuce (échantillonnage du signal à une fréquence légèrement supérieure) permet en fait de mesurer un temps de l'ordre de la milliseconde, donc avec une bonne précision, ce qui était impossible pour un temps de l'ordre de la nanoseconde. L'appareil fait le filtrage nécessaire (élimination des échos parasites), et traduit le temps t mesuré en un signal de mesure standard (ex: 4..20 mA).

8.4.2.3. Niveau Radar classique

Figure 150 : Exemples de capteur transmetteur à radar à bride Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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La combinaison émetteur + récepteur dans le même appareil est la plus utilisée, bien que puisse alors se produire un phénomène de résonance d'antenne. Le capteur possède une antenne cône assemblée sur une bride. Figure 151 : Niveau Radar L'antenne la plus utilisée est l'antenne cône. On peut voir le trajet des ondes en rouge sur la figure « propagation des ondes dans une antenne cône ». Figure 152 : Propagation des ondes dans une antenne cône Elles sont émises par une tête émettrice conique (pointue) et canalisées par l'intérieur d'un guide onde conique. Elles se propagent selon un lobe d'autant plus mince que la fréquence de l'onde est élevée. Celle-ci est le plus souvent en acier inoxydable. Pour les hautes températures, nous aurons une antenne cône en céramique. Lorsque, par exemple, on ne dispose pas d'une bride mais d'une ouverture de petit diamètre dans le réservoir pour passer l'antenne, on peut utiliser l'antenne tige. Mais celle-ci ne doit pas être atteinte par le produit dont on mesure le niveau. Figure 153 : Exemple de capteur transmetteur à radar sans bride

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8.4.2.4. Niveau Radar Tuboguidé (pour les liquides)

Figure 154 : Exemple de capteur transmetteur à radar Tubo-Guidé Lorsque la constante diélectrique du liquide est faible, pour concentrer le rayonnement de l'onde et récupérer un écho suffisant sans échos parasites (si ce n'est celui du fond du réservoir), on peut utiliser un tube guide-onde. Ce tube doit être percé de petits trous pour que le liquide à l'intérieur soit homogène avec le liquide autour du tube. Ce tube peut aussi être en dérivation sur le réservoir ce qui facilite une intervention sur le dispositif de mesure. Un robinet d'isolement peut aussi être placé à l'extérieur en haut du tube. Ce dispositif est aussi adapté lorsque la surface du liquide est couverte de mousse ou que le liquide est agité. Mais ce n'est plus une mesure sans contact avec le produit.

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8.4.2.5. Radar Filoguidé (pour les liquides et les solides) Ici, l'onde suit une tige pleine ou un fil tendu par un contrepoids ou arrimé au fond du réservoir. L'onde est donc là aussi bien canalisée et l'écho est exploitable même avec un liquide ou un solide de faible constante diélectrique. Comme avec un tube, les parois du réservoir peuvent être proches du fil sans produire des échos parasites. Les caractéristiques du produit (constante diélectrique, granulométrie) peuvent varier sans que cela perturbe la mesure. Figure 155 : Exemple de capteur transmetteur à radar Filoguidé pour liquides Ce dispositif convient aussi pour les liquides moussants ou agités avec un fil arrimé. La mesure est même peu influencée par un colmatage, les ondes suivant le guide et contournant le produit accroché. Mais ce n'est plus une mesure sans contact avec le produit. Le guidage peut aussi s'effectuer avec deux tiges ou deux câbles parallèles assez proches mais avec un plus grand risque de colmatage. Ce dispositif permet de mesurer un niveau interface dont le produit le moins dense est non conducteur avec une constante diélectrique peu élevée. Les constantes diélectriques des deux liquides doivent être connues. Figure 156 : Exemple de capteur transmetteur à radar Filoguidé pour solides Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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8.4.2.6. Avantages Mesure sans contact, utilisable dans un très grand nombre d’applications (produits très corrosifs, visqueux, moussants, agités, des solides en vrac, etc….). Excellente précision : +/- 0.1 % pour une étendue de mesure de 1m. Montage facile. Influence négligeable de la température ; de la phase gazeuse (vapeur, condensats, etc…). Pratiquement aucune maintenance nécessaire. Étendue de mesure assez large : jusqu’à plus de 30m. Éliminations d’échos parasite à caractère systématique (paramétrage dans le transmetteur). Calcul de volume en fonction d’une géométrie particulière du réservoir (ex : fond conique). Réglage et étalonnage pouvant se faire en dehors du site, sans vidanger ou remplir le réservoir.

8.4.2.7. Inconvénients Le produit que l’on mesure doit avoir une constante diélectrique relative suffisante pour bien réfléchir l’onde (écho exploitable). Les hydrocarbures ou solides se mesurent avec un radar tubo guidé ou filoguidé car leurs constantes diélectrique posent problème, et nous perdons avec ce type de produit la mesure sans contact. Mesure faussée avec des liquides très moussants ou des solides pulvérulents formant talus, colmatants, ou dont la granulométrie modifie la direction de l’écho détecté. Prix élevé. Précautions nécessaires pour éviter les échos parasites sur les obstacles autres que la surface du liquide et qui ne peuvent être éliminés par l’électronique du transmetteur (ex : déversement de liquide dans le réservoir).

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8.5. DÉTECTION DE NIVEAU La détection d'un niveau est une simple comparaison de la valeur de celui-ci avec une valeur de référence. Le signal de sortie d'un détecteur est donc binaire (on dit T.O.R. pour "tout ou rien") alors qu'un capteur de mesure d'un niveau fournit un signal image continue et fine de ce niveau. Les détecteurs sont donc des systèmes en général d'un coût moins élevé que celui des dispositifs de mesure continue mais fiables car la sécurité des personnels et des installations repose souvent sur eux. Ne pouvant tous les citer, nous nous limiterons à quelques principes, les plus utilisés. Mis à part le pesage du réservoir, il y a tout d'abord les différents principes de mesure étudiés précédemment, chacun pouvant être utilisé pour une simple détection (qui peut le plus peut le moins !). En voici quelques exemples.

8.5.1. Détection par flotteur

Figure 157 : Principe Détection par Flotteur Un flotteur est guidé par un tube non magnétique étanche qui le traverse en son centre et le long duquel il se déplace verticalement. A l'intérieur du flotteur se trouve un aimant permanent. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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De même, à l'extrémité du tube se trouve un aimant fixe de pôle opposé à celui de l'aimant mobile situé dans le flotteur. Ces deux aimants ont tendance à se repousser, donc un liquide de faible densité peut aussi déplacer le flotteur lors de la montée de son niveau. Lorsque le niveau monte, l'aimant du flotteur passe autour de la capsule du relais bistable (type Reed) dont le contact change d'état. Ses lamelles contact sont en effet sensibles à l'action du champ magnétique. Ce contact ne s'inversera qu'au passage du flotteur à la descente du niveau.

8.5.2. Détection par Lames Vibrantes

Figure 158 : Principe Détection par Lames Vibrantes Deux lames métalliques parallèles agencées côte à côte sur une membrane métallique sont amenées par effet piézo-électrique à leur fréquence de résonance. Lorsqu'elles entrent en contact avec le produit, la fréquence ainsi que l'amplitude de vibration de ces deux lames diminue. Pour la détection d'un niveau de liquide, un circuit électronique détecte la variation de fréquence d'oscillation des lames et la traduit en un changement d'un signal de sortie "tout ou rien". Pour la détection d'un niveau de produit solide en poudre ou en grains pas trop gros, un circuit électronique détecte la variation d'amplitude des oscillations des lames et la traduit en un changement d'un signal de sortie "tout ou rien". Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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L'allure de ces lames, sorte de fourche, s'apparente donc à celle d'un diapason. La fréquence de résonance, par exemple de 85 Hz ou de 120 Hz, est choisie de façon à éviter les perturbations de la fréquence du secteur (50 Hz). Ce système ne nécessite aucun réglage. Basées sur le même principe, il existe aussi des sondes à tige vibrante (une seule tige de gros diamètre au lieu des deux lames). Les sondes peuvent aussi bien être montées horizontalement que verticalement.

Figure 159 : Exemples de Lames Vibrantes

8.5.2.1. Avantages Dispositif convenant aussi bien aux liquides (même visqueux, assez corrosifs, ou assez chargés de particules solides) qu'aux solides en poudre ou en grains de granulométrie jusqu'à 10 mm. Peu encombrant (il suffit d'un piquage de diamètre 25 mm). Robuste. Pratiquement sans usure donc sans entretien (pas de pièces mobiles).

8.5.2.2. Inconvénients Contact avec le produit. Ne convient pas aux fluides très corrosifs ou très chargés de particules solides pouvant se déposer et bloquer les lames. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Ne convient pas aux solides de granulométrie supérieure à 10 mm. Pression maximale de service limitée (ex: 20 bars).

8.5.3. Détection à Palette Rotative Ce principe est utilisé avec les produits solides pulvérulents. Un moteur fait tourner lentement une palette métallique (exemple du schéma cidessus: 1 plaque rectangulaire soudée sur l'arbre du moteur). Figure 160 : Principe Détecteur à Palette Rotative

Lorsque le produit entrave la rotation des palettes, le couple résistant augmente. Un dispositif mécanique ou électrique détecte cette variation du couple et actionne un contact.

Figure 161 : Exemple Détecteur à Palette Rotative

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8.5.3.1. Avantages Simple Économique Pas de réglage nécessaire Montage vertical ou horizontal

8.5.3.2. Inconvénients Ne convient qu'aux solides de granulométrie jusqu'à 10 mm (pulvérulents, granuleux, en vrac à condition de ne pas détériorer le détecteur), non abrasifs. Usure car mouvement donc entretien nécessaire, pour pression et température peu élevées

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9. TEMPERATURE 9.1. RAPPEL Pour déterminer la température d'un corps, on choisit un phénomène physique qui en dépend. On définit alors une échelle thermométrique, qui est la loi rattachant la variation de la grandeur thermométrique avec celle de la température. Par commodité, on a adopté une loi linéaire comme relation entre la température t et la grandeur thermométrique x : x = at + b Pour établir une échelle thermométrique, on choisit deux repères thermométriques qui sont les températures de deux situations facilement réalisables : par exemple la température de la glace fondante, sous les conditions normales de pression, et celle de l'ébullition. Échelle centésimale : on a choisi 0 pour la première température et 100 pour la seconde et on divise l'intervalle 0-100 en cent parties égales. L'échelle Celsius est de ce type : les points fixes sont la glace fondante et l'ébullition de l'eau. On note le degré Celsius °C. C'est l'échelle la plus utilisée dans la vie pratique. Il existe une infinité d'échelles centésimales suivant les points fixes choisis. Échelle Fahrenheit : premier point, glace fondante à 32 °F et deuxième point, le corps humain à 90 °F. Dans cette échelle, l'ébullition de l'eau se produit pour 212 °F La température définie ci-dessus, n'est pas une grandeur mesurable, c'est une grandeur repérable : ni la somme, ni le rapport de deux températures, exprimées en °C, n'ont de sens. Elle se repère alors devant une graduation arbitrairement choisie. L’échelle absolue correspondant

9.1.1. Les unités et échelles de température La plus ancienne est l'échelle centésimale (1742), attribuant arbitrairement les valeurs 0 et 100 °C à la glace fondante et à l'eau bouillante, sous la pression atmosphérique normale. La température ainsi définie dépendant du phénomène choisi (la dilatation d'un fluide) pour constituer le thermomètre étalon, on utilise de préférence l'échelle Celsius, définie à partir de l'échelle Kelvin.

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Cette dernière échelle, qui est celle du système international, ne dépend d'aucun phénomène particulier et définit donc des températures absolues. Le zéro absolu (273,15 °C) a pu être approché à quelques millionièmes de degrés près. Les phénomènes physiques qui se manifestent aux très basses températures connaissent d'importantes applications. Zéro absolue

point point congélation ébullition de l’eau de l’eau

0

- 273,16

-459, 69

0

273,16

373,16

Kelvin (K)

0

100

Celcius (°C)

32

212

Fahrenheit (°C)

491,69

673,6

Rankine (°R)

Figure 162 : Exemple Détecteur à Palette Rotative

9.1.2. Relation entre les unités Celsius

Kelvin

Fahrenheit

Rankine

°C

1

°C + 273

1,8 °C + 32

1,8 °C + 491

K

K – 273

1

1,8 K – 459

1,8 K

°F

(°F – 32) / 1,8

(°F + 459) / 1,8

1

°F + 459

°R

(°R – 491) / 1,8

°R / 1,8

°R - 459

1

Table 6: Relations entre les unités de température Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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A RETENIR L’échelle absolue correspondant à l’échelle Celsius est l’échelle KELVIN et le degré correspondant est le KELVIN (K). 1 °C = 1 K 0 °C = 273 K 0 K = - 273 °C L’échelle absolue correspondant à l’échelle Fahrenheit est l’échelle RANKINE et le degré correspondant est le degré RANKINE (°R) 1 °F = 1 °R 0 °F = 459 °R 0 °R = - 459 °F

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9.2. THERMOMÈTRE À DILATATION 9.2.1. Thermomètre à Dilatation de Liquide Il est constitué d’un réservoir surmonté d’un capillaire de section faible et régulière (ordre de grandeur : ø = 0,2 mm) se terminant par une ampoule de sécurité (utile lors d’un dépassement de la température admissible). Figure 163: Exemple Thermomètre à dilatation de liquide Il est réalisé en verre. Sous l’effet des variations de température, le liquide se dilate plus ou moins. Son niveau est repéré à l’aide d’une échelle thermométrique gravée sur l’enveloppe.

Figure 164: Détail du Thermomètre à dilatation de liquide

9.2.1.1. Les principaux liquides thermométriques L’espace libre au dessus du liquide peut être vide. Toutefois, pour empêcher la colonne de liquide de se fractionner facilement et aussi pour permettre de mesurer des hautes températures, l’espace libre est rempli d’un gaz neutre (azote ou argon) mis sous une pression fonction de la température à mesurer. Le mercure (Hg) : - de -35°C à +200°C, capillaire vide d’air - de -35°C à +350°C, capillaire rempli de gaz inerte sous pression de 1 bar - de -35°C à +600°C, capillaire rempli de gaz inerte sous pression de 20 bar. - De -35°C à +750°C, capillaire rempli de gaz inerte sous pression de 70 bar Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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L’alcool : de -80°C à +70°C Le Toluène : de -80°C à +100°C Le Pentane : de -200°C à +30°C L’alliage de Galium : de 0°C à 1050°C (enveloppe en quartz fondu)

9.2.1.2. Nature de l’enveloppe En fonction de la température à mesurer, il y a lieu de choisir le matériau constituant l’enveloppe du thermomètre : Verre d’Iena jusque 450 °C Verre Supremax jusque 630 °C Silice pure fondue jusque 1000 °C

9.2.1.3. Loi de Variation La loi de variation du volume du liquide en fonction de la température est : V = Vo (1 + αθ) Vo : volume du liquide à 0 °C V : volume du liquide à θ °C αθ : coefficient de dilatation du liquide en °C-1 Cette équation nous montre que la sensibilité du thermomètre à dilatation de liquide est proportionnelle au volume Vo (fonction du volume du réservoir) : est proportionnelle au coefficient de dilatation du liquide α θ (donc au type de liquide choisi), est inversement proportionnel à la section S du capillaire car Δh = ΔV / S.

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9.2.2. Thermomètre à dilatation de gaz 9.2.2.1. Principe Sous une forme schématisée, un thermomètre à gaz est composé d'une sonde (A), formant une enveloppe dans laquelle est enfermé le gaz thermométrique. Cette sonde est reliée par un tube capillaire de raccordement à l'extrémité (B) d'un tube de Bourdon, appelée spirale de mesure. Cette extrémité est fixe. La longueur du tube de raccordement ne doit pas excéder 100 mètres. Figure 165 : Exemple de Thermomètre à dilatation de Gaz Sous l'effet de la température du milieu dans lequel la sonde est placée, la pression du gaz va varier, ce qui modifiera l'équilibre de l'extrémité libre du tube de Bourdon. Cette variation de pression se traduira par un mouvement de rotation de l'index indicateur qui se déplacera devant un cadran portant des graduations thermométriques.

Figure 166 : Détail du Thermomètre à dilatation de Gaz

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9.2.2.2. Gaz employés dans le thermomètre Hélium : - 267,8 °C Hydrogène : - 239,9 °C Azote : - 147,1 °C Gaz carbonique : - 31,1 °C

9.2.2.3. Avantages et Inconvénients Le système présente une inertie thermique importante (réservoir volumineux), mais simple, robuste, d’échelle linéaire, la précision après correction est meilleure que 2%. Les liquides les plus utilisés sont le méthanol, le benzène, le toluène, le mercure.

9.2.3. Thermomètre à tension de vapeur 9.2.3.1. Principe On appelle tension de vapeur d'un liquide, la pression sous laquelle ce liquide est en équilibre thermodynamique avec sa phase vapeur. La tension de vapeur n'est fonction que de la température d'un liquide donnée. Ë une température correspond pour le liquide choisie une pression de vapeur fixe.

Figure 167 : Tension de vapeur en fonction de la température (eau)

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La mesure de la tension de vapeur d'un liquide permet donc de connaître sa température. La mesure thermométrique se fait par l'intermédiaire d'une mesure de pression. Les thermomètres à tension de vapeur sont très sensibles.

Figure 168 : Principe Thermomètres à tension de vapeur Mais la graduation n'est pas linéaire, comme le montre la courbe de tension de vapeur cidessus. La réalisation la plus simple est le thermomètre à simple remplissage. L'élément sensible est une sonde analogue à celle du thermomètre à gaz, mais le tube de raccordement plonge dans la sonde. Celle-ci et le tube de raccordement sont garnis de liquide vaporisable. Lorsque la sonde est placée dans une enceinte chaude, une partie du liquide se vaporise. Un équilibre liquide/vapeur s'établit, fonction de la température. En même temps, la pression a augmenté pour se fixer à la valeur de la tension de vapeur du liquide. Cette pression est transmise par le liquide au manomètre de mesure qui agit sur l'élément indicateur. Figure 169 : Exemple de Thermo manomètre (1) Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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La vaporisation du liquide se faisant toujours au point le plus chaud du système clos, les capteurs à simple remplissage ne sont utilisables que si le bulbe est à une température supérieure à la température ambiante (sinon, la vaporisation se ferait au niveau du capteur de pression). Pour pallier cet inconvénient et permettre des mesures de températures inférieures et supérieures à la température ambiante, on utilise le bulbe à double remplissage. Le liquide évaporable est placé dans la zone médiane du bulbe. C'est un liquide transmetteur non évaporable qui est dans le fond du bulbe et dans l'ensemble capillaire - capteur de pression. Ce liquide est soit de l'huile, soit de la glycérine. Il transmet au manomètre la pression de la vapeur. Figure 170: Exemple de Thermo manomètre (2)

9.2.3.2. Liquide de remplissage Produit

Température

Pression

Ammoniac

-20 à +60

2 à 25 bar

Propane

0 à +100

5 à 45 bar

Butane

+20 à +140

2 à 30 bar

Chlorure d'éthyle

+30 à +180

2 à 50 bar

Alcool méthylique

+60 à +220

1 à 53 bar

Benzène

+80 à +280

1 à 43 bar

Table 7: Liquides de remplissage

9.2.3.3. Avantages et inconvénients Ce type de thermomètre est très utilisé sur les chaudières dans toutes sortes d’industrie. Il ne nécessite aucune source d’énergie extérieure, c’est le fluide lui-même qui apporte l’énergie nécessaire à leur fonctionnement

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Il permet une transmission de l’indicateur, également sans apport d’énergie extérieure. Leur indépendance vis-à-vis de toute source électrique les rend très compétitifs pour des utilisations en zone à risque d’explosion. Sa précision est de l’ordre de 1% sur une étendue de -30 à +400°C

9.2.4. Thermomètre à Dilatation de Solide 9.2.4.1. Généralités Les thermomètres à dilatation de solides sont en général recommandés pour leur simplicité et leur robustesse. Ils mesurent des températures jusqu’à 500°C avec une erreur inférieure à 1%. Les bilames constituent un moyen commode, peu encombrant et peu onéreux de transformer un effet thermique en un effet mécanique : mouvement, effort, travail. L’effet thermique peut avoir une origine : Naturelle s’il provient des variations de la température ambiante, Artificielle s’il est provoqué par effet joule direct ou indirect, suivant que le courant traverse un bilame elle-même ou une résistance chauffante placée à proximité. Les bilames, liées dans la plupart des cas à des fonctions de sécurité ou de régulation, sont présents dans tous les domaines de l’activité économique (autant industrielle que domestique). Les applications sont innombrables : Thermomètres Thermostats pour appareils de sécurité et de régulation Organes moteurs de dispositifs régulateur, indicateurs ou avertisseurs

9.2.4.2. La bilame Une bilame thermique est constituée de deux bandes d'alliage dont les coefficients de dilatation sont très différents, soudées à plat sur toute leur surface. Lorsqu'une telle bande est soumise à une variation de température, les dilatations différentes des deux faces provoquent des tensions, il en résulte une incurvation de l'ensemble. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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La soudure des deux constituants doit être suffisamment intime pour que la zone de jonction soit mécaniquement aussi résistante que chacune des deux lames.

Figure 171 : Principe du bilame à contacts

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9.3. THERMOMÈTRE ÉLECTRIQUE Les capteurs qui précèdent sont à lecture directe et sont peut utilisés dans les régulations industrielles. De plus, à l'exception du thermomètre à gaz l'indication de température est proche du lieu de mesure. Les capteurs électriques qui suivent auront l'avantage d'une plus grande souplesse d'emploi (information transmissible, enregistrement) tout en gardant une précision suffisante pour les emplois industriels et beaucoup d'emplois de laboratoire. Nous avons trois sortes de thermomètres électriques : La sonde à résistance platine (pT100). La thermistance. Le Thermocouple.

9.3.1. Thermomètre à Résistance (Sonde pT100) 9.3.1.1. Définition Les sondes à résistance ou sondes thermoélectriques sont aussi appelées sonde platine (pT100). Elles sont composées d’un élément sensible en platine sont la valeur ohmique varie en fonction de la température. Les sondes platine ont une valeur ohmique de 100 ohms à 0°C. Cet élément sensible est en platine donc c’est un conducteur métallique. La résistance du conducteur varie en fonction de la température d’où la relation : Rt = Ro (1 + t) Rt: résistance à la température t Ro: résistance à la température 0 °C : Coefficient de résistance du conducteur La valeur de Rt est donnée dans des tables normalisées (voir « tableau de correspondance de la résistance en fonction de la température ») pour Ro = 100  (Pt 100) et  = 0,00385 //C dans l’étendue de mesure 0 à 100 °C.

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Équation Calendular-Van Dusen (CVD) Avec RT = résistance à T°C, R0 = résistance à 0°C, α = coefficient de température à 0°C en Ω/Ω/°C, δ = coefficient de linéarisation, β = deuxième coefficient de linéarisation pour les valeur négative de température (β = 0 pour T > 0°C). Cette équation a été transformée pour pouvoir être utilisée plus facilement avec les coefficients A, B et C donnée par la norme DIN 43760 (IEC 751) et les fiches techniques des composants.



R t  R 0 1  At  Bt 2  C(t  100)t 3



Coefficient

Valeur

Valeur

Valeur

α

0,003850

0,003926

0,003911

δ

1,4999

β

0,10863

A

3,9083e-3

3,9848e-3

3,9692e-3

B

-5,775e-7

-5,870e-7

-5,8495e-7

C

-4,18301e-12

-4,000e-12

-4,2325e-12

Table 8: Coëfficients pour différents  Ces trois valeurs α représentent les trois principales spécifications pour les RTD 0,003850 Ω/Ω/°C : Normalisation DIN 43760, IEC 751 et autres spécifications internationales, nommé Standard Européen. 0,003926 Ω/Ω/°C : Nécessite un platine pur à 99,999% ou mieux, nommé Standard Américain. 0,3911 Ω/Ω/°C : Souvent nommé Standard Industriel U.S. Je vous rassure, vous n’aurez pas à utiliser cette équation pour retrouver la valeur de la résistance de la sonde en fonction de la température mesurée. Un tableau de correspondance a été normalisé d’après cette équation de « savants », qui est le suivant :

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Selon ITS-90 / DIN EN 60751 – Unités : T en °C et R en  °C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

°C

-200.00

18.52

-190.00

22.83

22.40

21.97

21.54

21.11

20.68

20.25

19.82

19.38

18.95

-200.00 -190.00

-180.00

27.10

26.67

26.24

25.82

25.39

24.97

24.54

24.11

23.68

23.25

-180.00

-170.00

31.34

30.91

30.49

30.07

29.64

29.22

28.80

28.37

27.95

27.52

-170.00

-160.00

35.54

35.12

34.70

34.28

33.86

33.44

33.02

32.60

32.18

31.76

-160.00

-150.00

39.72

39.31

38.89

38.47

38.05

37.64

37.22

36.80

36.38

35.96

-150.00

-140.00

43.88

43.46

43.05

42.63

42.22

41.80

41.39

40.97

40.56

40.14

-140.00

-130.00

48.00

47.59

47.18

46.77

46.36

45.94

45.53

45.12

44.70

44.29

-130.00

-120.00

52.11

51.70

51.29

50.88

50.47

50.06

49.65

49.24

48.83

48.42

-120.00

-110.00

56.19

55.79

55.38

54.97

54.56

54.15

53.75

53.34

52.93

52.52

-110.00

-100.00

60.26

59.85

59.44

59.04

58.63

58.23

57.82

57.41

57.01

56.60

-100.00

-90.00

64.30

63.90

63.49

63.09

62.68

62.28

61.88

61.47

61.07

60.66

-90.00

-80.00

68.33

67.92

67.52

67.12

66.72

66.31

65.91

65.51

65.11

64.70

-80.00

-70.00

72.33

71.93

71.53

71.13

70.73

70.33

69.93

69.53

69.13

68.73

-70.00

-60.00

76.33

75.93

75.53

75.13

74.73

74.33

73.93

73.53

73.13

72.73

-60.00

-50.00

80.31

79.91

79.51

79.11

78.72

78.32

77.92

77.52

77.12

76.73

-50.00

-40.00

84.27

83.87

83.48

83.03

82.69

82.29

81.89

81.50

81.10

80.70

-40.00

-30.00

88.22

87.83

87.43

87.04

86.64

86.25

85.85

85.46

85.06

84.67

-30..00

-20.00

92.16

91.77

91.37

90.98

90.59

90.19

89.80

89.40

89.01

88.62

-20.00

-10.00

96.09

95.69

95.30

94.91

94.52

94.12

93.73

93.34

92.95

92.55

-10.00

0.00

100.00

99.61

99.22

98.83

98.44

98.04

97.65

97.26

96.87

96.48

0.00

0.00

100.00

100.39

100.78

101.17

101.56

101.95

102.34

102.73

103.12

103.51

0.00

10.00

103.90

104.29

104.68

105.07

105.46

105.85

106.24

106.63

107.02

107.40

10.00

20.00

107.79

108.18

108.57

108.96

109.35

109.73

110.12

110.51

110.90

111.29

20.00

30.00

111.67

112.06

112.45

112.83

113.22

113.61

114.00

114.38

114.77

115.15

30.00

40.00

115.54

115.93

116.31

116.70

117.08

117.47

117.86

118.24

118.63

119.01

40.00

50.00

119.40

119.78

120.17

120.55

120.94

121.32

121.71

122.09

122.47

122.86

50.00

60.00

123.24

123.63

124.01

124.39

124.78

125.16

125.54

125.93

126.31

126.69

60.00

70.00

127.08

127.46

127.84

128.22

128.61

128.99

129.37

129.75

130.13

130.52

70.00

80.00

130.90

131.28

131.66

132.04

132.42

132.80

133.18

133.57

133.95

134.33

80.00

90.00

134.71

135.09

135.47

135.85

136.23

136.61

136.99

137.37

137.75

138.13

90.00

100.00

138.51

138.88

139.26

139.64

140.02

140.40

140.78

141.16

141.54

141.91

100.00

110.00

142.29

142.67

143.05

14.43

143.80

144.18

144.56

144.94

145.31

145.69

110.00

120.00

146.07

146.44

146.82

147.20

147.57

147.95

148.33

148.70

149.08

149.46

120.00

130.00

149.83

150.21

150.58

150.96

151.33

151.71

152.08

152.46

152.83

153.21

130.00

140.00

153.58

153.96

154.33

154.71

155.08

155.46

155.83

156.20

156.58

156.95

140.00

150.00

157.33

157.70

158.07

158.45

158.82

159.19

159.56

159.94

160.31

160.68

150.00

160.00

161.05

161.43

161.80

162.17

162.54

162.91

163.29

163.66

164.03

164.40

160.00

170.00

164.77

165.14

165.51

165.89

166.26

166.63

167.00

167.37

167.74

168.11

170.00

180.00

168.48

168.85

169.22

169.59

169.96

170.33

170.70

171.07

171.43

171.80

180.00

190.00

172.17

172.54

172.91

173.28

173.65

174.02

174.38

174.75

175.12

175.49

190.00

200.00

175.86

176.22

176.59

176.96

177.33

177.69

178.06

178.43

178.79

179.16

200.00

Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Selon ITS-90 / DIN EN 60751 – Unités : T en °C et R en  °C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

°C

210.00

179.53

179.89

180.26

180.63

180.99

181.36

181.72

182.09

182.46

182.82

210.00

220.00

183.19

183.55

183.92

184.28

184.65

185.01

185.38

185.74

186.11

186.47

220.00

230.00

186.84

187.20

187.56

187.93

188.29

188.66

189.02

189.38

189.75

190.11

230.00

240.00

190.47

190.84

191.20

191.56

191.92

192.29

192.65

193.01

193.37

193.74

240.00

250.00

194.10

194.46

194.82

195.18

195.55

195.91

196.27

196.63

196.99

197.35

250.00

260.00

197.71

198.07

198.43

198.79

199.15

199.51

199.87

200.23

200.59

200.95

260.00

270.00

201.31

201.67

202.03

202.39

202.75

203.11

203.47

203.83

204.19

204.55

270.00

280.00

204.90

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205.98

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206.70

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280.00

290.00

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290.00

300.00

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300.00

310.00

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218.80

310.00

320.00

219.15

219.51

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320.00

330.00

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340.00

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340.00

350.00

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350.00

360.00

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370.00

380.00

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380.00

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390.00

400.00

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400.00

410.00

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252.25

252.59

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253.62

410.00

420.00

253.96

254.30

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255.67

256.01

256.35

256.70

257.04

420.00

430.00

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258.06

258.40

258.74

259.08

259.42

259.76

260.10

260.44

430.00

440.00

260.78

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261.46

261.80

262.14

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262.82

263.16

263.50

263.84

440.00

450.00

264.18

264.52

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265.20

265.53

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267.22

450.00

460.00

267.56

267.90

268.24

268.57

268.91

269.25

269.59

269.92

270.26

270.60

460.00

470.00

270.93

271.27

271.61

271.94

272.28

272.61

272.95

273.29

273.62

273.96

470.00

480.00

274.29

274.63

274.96

275.30

275.63

275.97

276.30

276.64

276.97

277.31

480.00

490.00

277.64

277.98

278.31

278.64

278.98

279.31

279.64

279.98

280.31

280.64

490.00

500.00

290.98

281.31

281.64

281.98

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282.64

282.97

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283.64

283.97

500.00

510.00

284.30

284.63

284.97

285.30

285.63

285.96

286.29

286.62

286.95

287.29

510.00

520.00

287.62

287.95

288.28

288.61

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289.27

289.60

289.93

290.26

290.59

520.00

530.00

290.92

291.25

291.58

291.91

292.24

292.56

292.89

293.22

293.55

293.88

530.00

540.00

294.21

294.54

294.86

295.19

295.52

295.85

296.18

296.50

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297.16

540.00

550.00

297.49

297.81

298.14

298.47

298.80

299.12

299.45

299.78

300.10

300.43

550.00

560.00

300.75

301.08

301.41

301.73

302.06

302.38

302.71

303.03

303.36

303.69

560.00

570.00

304.01

304.34

304.66

304.98

305.31

305.63

305.96

306.28

306.61

306.93

570.00

580.00

307.25

307.58

307.90

308.23

308.55

308.87

309.20

309.52

309.84

310.16

580.00

590.00

310.49

310.81

311.13

311.45

311.78

312.10

312.42

312.74

313.06

313.39

590.00

600.00

313.71

314.03

314.35

314.67

314.99

315.31

315.64

315.96

316.28

316.60

600.00

610.00

316.92

317.24

317.56

317.88

318.20

318.52

318.84

319.16

319.48

319.80

610.00

620.00

320.12

320.43

320.75

321.07

321.39

321.71

322.03

322.35

322.67

322.98

620.00

630.00

323.30

323.62

323.94

324.26

324.57

324.89

325.21

325.53

325.84

326.16

630.00

Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Selon ITS-90 / DIN EN 60751 – Unités : T en °C et R en  °C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

°C

640.00

326.48

326.79

327.11

327.43

327.74

328.06

328.38

328.69

329.01

329.32

640.00

650.00

329.64

329.96

330.27

330.59

330.90

331.22

331.53

331.85

332.16

332.48

650.00

660.00

332.79

333.11

333.42

333.74

334.05

334.36

334.68

334.99

335.31

335.62

660.00

670.00

335.93

336.25

336.56

336.87

337.18

337.50

337.81

338.12

338.44

338.75

670.00

680.00

339.06

339.37

339.69

340.00

340.31

340.62

340.93

341.24

341.56

341.87

680.00

690.00

342.18

342.49

342.80

343.11

343.42

343.73

344.04

344.35

344.66

344.97

690.00

700.00

345.28

345.59

345.90

346.21

346.52

346.83

347.14

347.45

347.76

348.07

700.00

710.00

348.38

348.69

348.99

349.30

349.61

349.92

350.23

350.54

350.84

351.15

710.00

720.00

351.46

351.77

352.08

352.38

352.69

353.00

353.30

353.61

353.92

354.22

720.00

730.00

354.53

354.84

355.14

355.45

355.76

356.06

356.37

356.67

356.98

357.28

730.00

740.00

357.59

357.90

358.20

358.51

358.81

359.12

359.42

359.72

360.03

360.33

740.00

750.00

360.64

360.94

361.25

361.55

361.85

362.16

362.46

362.76

363.07

363.37

750.00

760.00

363.67

363.98

364.28

364.58

364.89

365.19

365.49

365.79

366.10

366.40

760.00

770.00

366.70

367.00

367.30

367.60

367.91

368.21

368.51

368.81

369.11

369.41

770.00

780.00

369.71

370.01

370.31

370.61

370.91

371.21

371.51

371.81

372.11

372.41

780.00

790.00

372.71

373.01

373.31

373.61

373.91

374.21

374.51

374.81

375.11

375.41

790.00

800.00

375.70

376.00

376.30

376.60

376.90

377.19

377.49

377.79

378.09

378.39

800.00

810.00

378.68

378.98

379.28

379.57

379.87

380.17

380.46

380.76

381.06

381.35

810.00

820.00

381.65

381.95

382.24

382.54

382.83

383.13

383.42

383.72

384.01

384.31

820.00

830.00

384.60

384.90

385.19

385.49

385.78

386.08

386.37

386.67

386.96

387.25

830.00

840.00

387.55

387.84

388.14

388.43

388.72

389.02

389.31

389.60

389.90

390.19

840.00

850.00

390.48

850.00

Table 9: Tableau de correspondance de la résistance en fonction de la température Ce tableau vous sera très utile pour que vous puissiez vérifier une de sonde de température. Nous verrons la procédure de vérification dans le chapitre maintenance.

9.3.1.2. L’élément sensible L’élément sensible est isolé électriquement et protégé par une gaine. Il permet de mesurer une température précise dans un but de contrôle (indication) ou de régulation de T°C sur un procédé de fabrication industriel Figure 172 : Détail de l’élément sensible (pT100) Les fils (« fils d’extrémités ») montés sur les sondes sont des fils de liaisons ; à base de cuivre.

Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

Page 188 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

Les sondes peuvent être munies de câbles de prolongation spécifiques également en cuivre (« voir cours « accessoires en instrumentation »). Ces fils sont connectés soit sur un bornier ou un convertisseur R/I dans la tête de sonde. Figure 173 : Exemple de sonde pT100

9.3.1.3. Classe de tolérance Vous entendrez parler dans votre métier d’instrumentiste de sonde pT100 classe A, A/2 ou B, ne soyez pas surpris ceci est juste une tolérance de précision sur les sondes de températures à résistance. Donc voici le tableau de classe de tolérance normalisé : T

Classe B

Classe A

1/3 Classe B

°C



°C



°C



0

± 0,3

± 0,12

± 0,15

± 0,06

± 0,04

± 0,06

100

± 0,8

± 0,3

± 0,35

± 0,13

± 0,1

± 0,13

200

± 1,3

± 0,48

± 0,55

± 0,2

± 0,16

± 0,2

300

± 1,8

± 0,64

± 0,75

± 0,27

± 0,21

± 0,27

400

± 2,3

± 0,79

± 0,95

± 0,33

± 0,26

± 0,33

500

± 2,8

± 0,93

± 1,15

± 0,38

± 0,31

± 0,38

600

± 3,3

± 1,06

± 1,35

± 0,43

± 0,35

± 0,43

700

± 3,8

± 1,17

800

± 4,3

± 1,28

850

± 4,6

± 1,34

Table 10: Tableau normalise de classe de tolérance des sondes pT100 Définition des classes de tolérance (Norme NF EN 60751) : Classe B : t = ± (0,3 + 0,005 ) – de 0 à 850 °C Classe A : t = ± (0,15 + 0,002 ) – de 0 à 600 °C 1/3 Classe B : t = ± 1/3(0,3 + 0,005 ) – de 0 à 850 °C  : valeur absolue de température mesurée (°C) Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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9.3.1.4. Câblage Il existe 3 montages de raccordement pour les sondes : Montage 2 fils : Mesure la plus simple. Faible précision car il y a cumulation des valeurs ohmiques de la sonde et des cordons de prolongation. Cela peut être évité par l’utilisation de sondes à plusieurs fils. Montage à éviter. Montage 3 fils : Montage le plus utilisé. La résistance créée entre les conducteurs 1 et 2, est soustraite de la valeur ohmique obtenue entre les conducteurs 1 et 3. La résistance des conducteurs est limitée. Il reste la résistance de contact. Figure 174 : Montage 3 fils Montage 4 fils : 2 possibilités de branchements : Mesure en pont de Wheastone : Même principe que la mesure par 3 fils, permettant d’affiner la précision de la mesure. La résistance des conducteurs n’intervient pas dans la mesure, seul reste la résistance de contact. Figure 175 : Montage 4 fils « Pont de Wheastone » Mesure de Kelvin : Montage le plus précis. Un courant circule dans les conducteurs 1 et 4. On mesure la tension aux bornes de la sonde entre les fils 2 et 3, et on en déduit la valeur ohmique de la sonde. La résistance des conducteurs et la résistance de contact n’interviennent plus dans la mesure. Figure 176 : Montage 4 fils « Mesure de Kelvin »

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9.3.1.5. Constitution d’une sonde de Température

Figure 177 : Détail Sonde de température Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Une sonde de température est équipée : D’un puit thermométrique D’une extension D’un élément sensible Une tête de raccordement Puit Thermométrique : Le puit thermométrique aussi appelé « doigt de gant ». La sonde équipée de celui-ci peut ainsi être directement en contact avec le fluide. Figure 178 : Exemple de Puits Thermométrique Les puits thermométriques sont réalisés dans les configurations à visser, à souder ou à bride. Ils peuvent être forés dans la masse ou mécano soudés. La fonction principale est de permettre le remplacement rapide de l’élément sensible sans avoir à interrompre le fonctionnement du process, surtout lorsqu’on est en présence de hautes pressions ou de températures élevées. Éléments sensibles interchangeables Pour faciliter la maintenance, les constructeurs ont fabriqués des sondes avec éléments sensibles interchangeables. Ils sont équipés soit : D’un convertisseur R/I D’un Bornier De sortie fils Figure 179 : Exemple D’éléments sensibles interchangeable Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Le convertisseur de mesure permettra d’avoir l’image de la résistance en une sortie 4-20 mA afin de pourvoir transmettre le signal à un récepteur (ex :DCS). Le convertisseur est ainsi directement intégré dans la tête de sonde. Le bornier sert à câbler un convertisseur qui se trouve souvent en armoire local ou en local technique. La sortie à fils sert souvent à brancher un indicateur local avec une entrée pT100 3 fils. La tête de raccordement : La tête de raccordement sert à raccorder les câbles et protéger les connections. Elle est entièrement étanche. Figure 180 : Exemple Tête de raccordement Sonde de Température Complète

Figure 181 : Exemple Sonde De Température complète

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9.3.1.6. Le Transmetteur Le Transmetteur est un convertisseur résistance/courant (R/I) pour une sonde de température de type pT100. Celui-ci est monté soit dans la tête de sonde, soit en déporté dans une armoire locale instrumentation ou dans un local technique instrumentation. Il est aussi soit un convertisseur analogique « classique » ou soit en convertisseur numérique « nouvelle génération ». Le convertisseur intégré dans la tête de sonde :

Sortie courant 4-20 mA + pin Connection FSK

Bornes entrée pT100 3 ou 4 fils

Figure 182 : Exemple transmetteur numérique de température intégré dans la tête de sonde Ce type de convertisseur est couramment utilisé de nos jours, il est en protocole de communication hart. Mais il en existe d’autres avec divers protocoles de communication. Nous voyons bien sur ce modèle les bornes d’entrées pT100 où il faut brancher les fils de l’élément sensible qui arrivent dans la tête de sonde et les deux bornes + et – de la sortie 4-20mA. Ce convertisseur est entièrement paramétrable à l’aide d’un logiciel. Les paramètres sont hyper simple, vous choisissez l’échelle de la température voulue, la sortie courant (420mA ou 0-20mA), le TAG du capteur, etc…..

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Le convertisseur déporté

Figure 183 : Exemple transmetteur numérique de température déporté Il est de même principe que le transmetteur intégré dans la tête de sonde.

9.3.2. Thermistance Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000 °C. La composition d'une thermistance peut-être, par exemple : Fe2O3 (oxyde ferrique) ; MgAl2O4 (aluminate de magnésium) ; Zn2TiO4 (titane de zinc). La résistance électrique d'une thermistance est très sensible à l'action de la température. Il existe deux types de thermistance, les CTN à coefficient de température négatif, et les CTP à coefficient de température positif. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Un second avantage des thermistances est leur faible encombrement. On les fabrique sous forme de petits cylindres (d = 1 à 12 mm, L = 5 à 50 mm) de disques, de perles. La variation de résistance des thermistances dépend des matériaux utilisés. Figure 184 : Résistance en fonction de la température pour une thermistance de type CTP BH et une sonde platine Pt100 Leur domaine d'utilisation va de -80°C à +700°C avec une précision de 0,1 à 0,5 degré. Les thermistances ne présentent pas le phénomène de polarisation et peuvent être traversées indifféremment par un courant continu ou alternatif. Figure 185 : Exemples de Thermistance L'emploi des thermistances a donc des avantages de sensibilité et de faible encombrement, mais la loi de variation de la résistance en fonction de la température n'est pas linéaire.

9.3.3. Thermocouple (Type K, J) 9.3.3.1. Principe Un thermocouple est constitué par : Deux conducteurs de natures différentes, par exemple du cuivre et du constantan (Alliage à 55% de cuivre et 45% de nickel). De deux soudures entre ces deux conducteurs, une soudure chaude à la température à mesurer et une soudure froide que l’on peut supposer être à 0°C pour l’instant. Un système de mesure de différence de potentiel électrique (tension).

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On constate que lorsque la soudure froide et la soudure chaude sont soumises à des températures différentes, il apparaît entre les conducteurs une différence de potentiel (ou tension) que l’on peut mesurer avec un millivoltmètre. Figure 186 : Schéma de principe du thermocouple Cette tension dépend de la température de la soudure chaude (si la soudure froide est à 0°C) et de la nature des métaux. Lorsque cette dernière est connue on peut graduer directement les indications du millivoltmètre en température

9.3.3.2. Les couples de matériaux Les couples de métaux les plus utilisés sont: Cuivre – constantan (55%cuivre, 45%nickel) : convient de -100 à 350°C. Fer – constantan : 0 à 600°C. Chromel (90%nickel, 10%chrome) – alumel (97%nickel, 3% aluminium) : 300 à 1000°C. Plus rarement : platine-platine rhodié (alliage de platine et de rhodium) : hautes températures. SYMBOLE NATURE DU THERMOCOUPLE POLARITES COULEURS T J K E R S B

CUIVRE CONSTANTAN FER CONSTANTAN NICKEL-CHROME NICKEL-ALLIE NICKEL-CHROME CONSTANTAN PLATINE RHODIE 13 % PLATINE PLATINE RHODIE 10 % PLATINE PLATINE RHODIE 30 % PLATINE RHODIE 6 %

+ + + + + + + -

JAUNE BLEU JAUNE NOIR JAUNE VIOLET JAUNE ORANGE JAUNE VERT JAUNE VERT JAUNE GRIS

TEMPERATURES APPROXIMATIVES - 40 à 350 C° - 40 à 750 C° - 40 à 1000 C° - 40 à 900 C° 0 à 1600 C° 0 à 1600 C° 600 à 1700 C°

Table 11: Tableau récapitulatif des différents types de thermocouple Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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9.3.3.3. Constitution d’un thermocouple

Figure 187 : Constitution du thermocouple Les deux conducteurs de matériau de natures différentes sont séparés à l’aide d’un isolant. Suivant les températures l’isolant est différent, voir tableau : Table 12: Nature de l'isolant en fonction de la température

T max (°C) 105 180 205 300 400 600

Nature de l’isolant PVC Silicone FEP Kapton Soie de verre Fibre de verre

Figure 188 : Exemple de thermocouple

9.3.3.4. Montage et branchement Lorsque le thermocouple ne peut pas être branché sur l’appareil de mesure, le raccordement se fait par des câbles de prolongation. Ces câbles s’appellent « câble de compensation ». Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Les câbles de compensation, de nature différente de celle des conducteurs, permettent de reporter la soudure froide aux bornes de l’appareil de mesure. Ce système permet de s’affranchir de la température ambiante. Nous verrons les différents types de câbles de compensation dans le cours « accessoires en instrumentation ». Le thermocouple est monté de façon identique à la sonde pT100 car il possède aussi un puit thermométrique, le transmetteur est identique sauf que le paramétrage est différent (il faut choisir le type de thermocouple J ou K, l’échelle de mesure, etc…). Il possède aussi une tête de raccordement. La seule différence c’est que dans la tête de sonde les fils ne sont pas les mêmes.

9.3.3.5. Types de jonctions de mesure Jonction exposée Jonction de mesure en contact avec le fluide Temps de réponse très rapide Bien adaptée aux mesures en continue dans cheminées et fours Durée de vie limitée par corrosion et érosion Jonction isolée Jonction de mesure isolée de la gaine et du fluide Cas le plus commun Temps de réponse élevé Blindage câble liaison raccordé à terre uniquement côté salle technique Jonction référencée à la masse Jonction de mesure soudée à la gaine, temps de réponse plus rapide Blindage câble liaison raccordé terre uniquement côté T/C Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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9.3.3.6. Tableau de correspondance de la tension / température Table des tensions de Thermocouple Type K (Chrome/Alumel) Tension thermoélectrique en millivolts avec jonction de référence à 0°C 1 2 3 4 5 6 7 8 9

°C

0

10

°C

-270

-6,458

-260

-6,441

-6,444

-6,446

-6,448

-6,450

-6,452

-6,453

-6,455

-6,456

-6,457

-6,458

-260

-250

-6,404

-6,408

-6,413

-6,417

-6,421

-6,425

-6,429

-6,432

-240

6-,344

-6,351

-6,358

-6,364

-6,371

-6,377

-6,382

-6,388

-6,435

-6,438

-6,441

-250

-6,394

-6,399

-6.404

-240

-230

-6,262

-6,271

-6,280

-6,289

-6,297

-6,306

-6,314

-220

-6,158

-6,170

-6,181

-6,192

-6,202

-6,213

-6,223

-6,322

-6.329

-6.337

-6.344

-230

-6,233

-6,243

-6,253

-6,262

-220

-210

-6,0.5

-6,048

-6,061

-6,074

-6,087

-6,099

-200

-5.891

-5.907

-5.922

-5.936

-5.951

-5.965

-6,111

-6.123

-6.135

-6.147

-6.158

-210

-5.980

-5.994

-6.007

-6.021

-6.035

-200

-190

-5,730

-5,747

-5,763

-5,780

-5,796

-5,813

-5,829

-5,845

-5,860

-5,876

-5,891

-190

-180

-5,550

-5,569

-5,587

-5,606

-170

-5,354

-5,374

-5,394

-5,414

-5,624

-5,642

-5,660

-5,678

-5,695

-5,712

-5,730

-180

-5,434

-5,454

-5,474

-5,493

-5,512

-5,531

-5,550

-170

-160

-5,141

-5,163

-5,185

-150

-4,912

-4,936

-4,959

-5,207

-5,228

-5,249

-5,271

-5,292

-5,313

-5,333

-5,354

-160

-4,983

-5,006

-5,029

-5,051

-5,074

-5,097

-5,119

-5,141

-150

-140

-4,669

-4,694

-130

-4,410

-4,437

-4,719

-4,743

-4,768

-4,792

-4,817

-4,841

-4,865

-4,889

-4,912

-140

-4,463

-4,489

-4,515

-4,541

-4,567

-4,593

-4,618

-4,644

-4,669

-130

-120

-4,138

-110

3-,852

-4,166

-4,193

-4,221

-4,248

-4,276

-4,303

-4,330

-4,357

-4,384

-4,410

-120

-3,881

-3,910

-3,939

-3,968

-3,997

-4,025

-4,053

-4,082

-4,110

-4,138

-110

-100 -90

-3,553

-3,584

-3,614

-3,644

-3,674

-3,704

-3,734

-3,764

-3,793

-3,823

-3,852

-100

-3,242

-3,274

-3,305

-3,337

-3,368

-3,399

-3,430

-3,461

-3,492

-3,523

-3.553

-90

-80

-2,920

-2,953

-2,985

-3,018

-3,050

-3,082

-3,115

-3,147

-3,179

-3,211

-3,242

-80

-70

-2,586

-2,620

-2,654

-2,687

-2,721

-2,754

-2,788

-2,821

-2,854

-2,887

-2.920

-70

-60

-2,243

-2,277

-2,312

-2,347

-2,381

-2,416

-2,450

-2,484

-2,518

-2,552

-2,586

-60

-50

-1,889

-1,925

-1,961

-1,996

-2,032

-2,067

-2,102

-2,137

-2,173

-2,208

-2,243

-50

-40

-1,527

-1,563

-1,600

-1,636

-1,673

-1,709

-1,745

-1,781

-1,817

-1,853

-1,889

-40

-30

-1,156

-1,193

-1,231

-1,268

-1,305

-1,342

-1,379

-1,416

-1,453

-1,490

-1,527

-30

-20

-0,777

-0,816

-0,854

-0,892

-0,930

-0,968

-1,005

-1,043

-1,081

-1,118

-1,156

-20

-10

-0,392

-0,431

-0,469

-0,508

-0,547

-0,585

-0,624

-0,662

-0,701

-0,739

-0,777

-10

-0

0,000

-0,039

-0,079

-0,118

-0,157

-0,197

-0,236

-0,275

-0.314

-0,353

-0,392

-0

0

0,000

0,039

0,079

0,119

0,158

0,199

0,238

0,277

0,317

0,357

0,397

0

10

0,397

0,437

0,477

0,517

0,557

0,597

0,637

0,677

0,718

0,758

0,798

10

20

0,798

0,838

0,879

0,919

0,960

1,000

1,041

1,081

1,122

1,162

1,203

20

30

1,203

1,244

1,285

1,325

1,366

1,407

1,448

1,489

1,529

1,570

1,611

30

40

1,611

1,652

1,693

1,734

1,776

1,817

1,858

1,899

1,940

1,981

2,022

40

50

2,022

2,064

2,105

2,146

2,188

2,229

2,270

2,312

2,353

2,394

2,436

50

60

2,436

2,477

2,519

2,560

2,601

2,643

2,684

2,726

2,767

2,309

2,850

60

70

2,850

2,892

2,933

2,975

3,016

3,058

3,100

3,141

3,183

3,224

3,266

70

80

3,266

3,307

3,349

3,390

3,432

3,473

3,515

3,556

3,598

3,639

3,681

80

90

3,681

3,722

3,764

3,805

3,847

3,888

3,930

3,971

4,012

4,054

4,095

90

100

4,095

4,137

4,178

4,219

4,261

4,302

4,343

4,384

4,426

4,467

4,508

100

110

4,508

4,549

4,590

4,632

4,673

4,714

4,755

4,796

4,837

4,878

4,919

110

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Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Table des tensions de Thermocouple Type K (Chrome/Alumel) Tension thermoélectrique en millivolts avec jonction de référence à 0°C 1 2 3 4 5 6 7 8 9

°C

0

10

°C

120

4,919

4,960

5,001

5,042

5,083

5,124

5,164

5,205

5,246

5,287

5,327

120

130

5,327

5,368

5,409

5,450

5,490

5,531

5,571

5,612

5,652

5,693

5,733

130

140

5,733

5,774

5,814

5,855

5,895

5,936

5,976

6,016

6,057

6,097

6,137

140

150

6,137

6,177

6,218

6,258

6,298

6,338

6,378

6,419

6,459

6,499

6,539

150

160

6,539

6,579

6,619

6,659

6,699

6,739

6,779

6,819

6,859

6,899

6,939

160

170

6,939

6,979

7,019

7,059

7,099

7,139

7,179

7,219

7,259

7,299

7,338

170

180

7,338

7,378

7,418

7,458

7,498

7,538

7,578

7,618

7,658

7,697

7,737

180

190

7,737

7,777

7,817

7,857

7,897

7,937

7,977

8,017

8,057

8,097

8,137

190

200

8,137

8,177

8,216

8,256

8,296

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22,772

540

Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

Page 201 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Table des tensions de Thermocouple Type K (Chrome/Alumel) Tension thermoélectrique en millivolts avec jonction de référence à 0°C 1 2 3 4 5 6 7 8 9

°C

0

10

°C

550

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38,638

38,677

38,717

38,756

38,796

38,836

38,475

38,915

930

940

38,915

38,954

38,994

39,033

39,073

39,112

39,152

39,191

39,231

39,270

39,310

940

950

39,310

39,349

39,388

39,428

39,467

39,507

39,546

39,585

39,627

39,664

39,703

950

960

39,703

39,743

39,782

39,821

39,861

39,900

39,939

39,979

40,018

40,057

40,096

960

970

40,096

40,136

40,175

40,214

40,253

40,292

40,332

40,371

40,410

40,449

40,488

970

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Page 202 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs Table des tensions de Thermocouple Type K (Chrome/Alumel) Tension thermoélectrique en millivolts avec jonction de référence à 0°C 1 2 3 4 5 6 7 8 9

°C

0

10

°C

980

40,488

40,527

40,566

40,605

40,645

40,684

40,723

40,762

40,801

40,840

40,879

980

990

40,879

40,918

40,957

40,996

41,035

41,074

41,113

41,152

41,191

41,230

41,269

990

1000

41,269

41,308

41,347

41,385

41,424

41,463

41,502

41,541

41,580

41,019

41,657

1000

1010

41,657

41,696

41,739

41,774

41,813

41,851

41,890

41,929

41,968

42,006

42,045

1010

1020

42,045

42,084

42,123

42,161

42,200

42,239

42,277

42,316

42,355

42,393

42,432

1020

1030

42,432

42,470

42,509

42,548

42,586

42,625

42,663

42,702

42,740

42,779

42,817

1030

1040

42,817

42,856

42,894

42,933

42,971

43,010

43,048

43,087

43,125

43,164

43,202

1040

1050

43,202

43,240

43,279

43,317

43,356

43,394

43,432

43,471

43,509

43,547

43,585

1050

1060

43,585

43,624

43,662

43,700

43,739

43,777

43,815

43,853

43,891

43,930

43,968

1060

1070

43,968

44,006

44,044

44,082

44,121

44,159

44,197

44,235

44,273

44,311

44,349

1070

1080

44,349

44,387

44,425

44,463

44,501

44,539

44,577

44,615

44,653

44,691

44,729

1080

1090

44,729

44,767

44,805

44,843

44,881

44,919

44,957

44,995

45,033

45,070

45,108

1090

1100

45,108

45,146

45,184

45,222

45,260

45,297

45,335

45,373

45,411

45,448

45,486

1100

1110

45,486

45,524

45,561

45,599

45,637

45,675

45,712

45,750

45,787

45,825

45,863

1110

1120

45,863

45,900

45,938

45,975

46,013

46,051

46,088

46,126

46,163

46,201

46,238

1120

1130

46,238

46,275

46,313

46,350

46,388

46,425

46,463

46,500

46,537

46,575

46,612

1130

1140

46,612

46,649

46,687

46,724

46,761

46,799

46,836

46,873

46,910

46,948

46,985

1140

1150

46,985

47,022

47,059

47,096

47,134

47,171

47,208

47,245

47,282

47,319

47,356

1150

1160

47,356

47,393

47,430

47,468

47,505

47,542

47,579

47,616

47,653

47,689

47,726

1160

1170

47,726

47,763

47,800

47,837

47,874

47,911

47,948

47,985

48,021

48,058

48,095

1170

1180

48,095

48,132

48,169

48,205

48,242

48,279

48,316

48,352

48,389

48,426

48,462

1180

1190

48,462

48,499

48,536

48,572

48,609

48,645

48,682

48,718

48,755

48,792

48,828

1190

1200

48,828

48,865

48,901

48,937

48,974

49,010

49,047

49,083

49,120

49,156

49,192

1200

1210

49,192

49,229

49,265

49,301

49,338

49,374

49,410

49,446

49,483

49,519

49,555

1210

1220

49,555

49,591

49,627

49,663

49,700

49,736

49,772

49,808

49,844

49,880

49,916

1220

1230

49,916

49,952

49,988

50,024

50,060

50,096

50,132

50,168

50,204

50,240

50,276

1230

1240

50,276

50,311

50,347

50,383

50,419

50,455

50,491

50,526

50,562

50,598

50,633

1240

1250

50,633

50,669

50,705

50,741

50,776

50,812

50,847

50,883

50,919

50,954

50,990

1250

1260

50,990

51,025

51,061

51,096

51,132

51,167

51,203

51,238

51,274

51,309

51,344

1260

1270

51,344

51,380

51,415

51,450

51,486

51,521

51,556

51,592

51,627

51,662

51,697

1270

1280

51,697

51,733

51,768

51,803

51,838

51,873

51,908

51,943

51,979

52,014

52,049

1280

1290

52,049

52,084

52,119

52,154

52,189

52,224

52,259

52,294

52,329

52,364

52,398

1290

1300

52,398

52,433

52,468

52,503

52,538

52,573

52,608

52,642

52,677

52,712

52,747

1300

1310

52,747

52,781

52,816

52,851

52,886

52,920

52,955

52,989

53,024

53,059

53,093

1310

1320

53,093

53,128

53,162

53,197

53,232

53,266

53,301

53,335

53,370

53,404

53,439

1320

1330

53,439

53,473

53,507

53,542

53,576

53,611

53,645

53,679

53,714

53,748

53,782

1330

1340

53,782

53,817

53,851

53,885

53,920

53,954

53,988

54,022

54,057

54,091

54,125

1340

1350

54,125

54,159

54,193

54,228

54,262

54,296

54,330

54,364

54,398

54,432

54,466

1350

1360

54,466

54,501

54,535

54,569

54,603

54,637

54,671

54,705

54,739

54,773

54,807

1360

1370

54,807

54,841

54,875

1370

Table 13: Tableau de correspondance de la tension / température

Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

Page 203 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

9.3.4. Avantages et Inconvénients des Thermomètres électriques Propriétés

Thermocouple

Sonde Pt 100

Domaine de température

-270 à 1800 °C

-200 à 650 °C

Choix d’un type selon température

Oui (8 types normalisés)

Non

Linéarité

Moyenne

Excellente

Précision

Moyenne (± 2,5 °C)

Excellente

Zone de sensibilité

Jonction d’extrémité

Cylindre d’environ 30 mm

Fragilité aux vibrations

Non

Oui

Plus faible diamètre

1,5 mm

3 mm

Adaptation à mesure température de surface

Oui

Non

Stabilité

Dérive possible au bout de quelques heures

Longue (années)

Coût sonde Câbles de raccordement

1,5 fois d’un TC Spéciaux (d’extension ou de compensation)

Cuivre en tierce et quarte

Table 14: Avantages et inconvénients des thermomètres électriques

9.3.5. Maintenance des thermomètres électriques 9.3.5.1. Sonde platine (pT100) En maintenance, les pannes qui arrivent sur les sondes pT100 sont : L’élément sensible se casse : Nous mesurons à l’aide de l’ohmmètre en pointant le fil noir (COM) de l’appareil de contrôle sur un des deux fils rouge et en pointant le fil rouge de l’ohmmètre sur le fil blanc de la sonde. Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

Et là, nous voyons que la mesure de la résistance est l’infini : la sonde est cassée. Le transmetteur ne fonctionne plus : Le moyen de le vérifier est de mesure avec un voltmètre si le transmetteur est toujours bien alimenté en 24VDC par la boucle de courant. Si le transmetteur est bien alimenté par la boucle de courant, nous vérifions avec un milliampèremètre en se mettant en série sur la sortie 4-20mA du transmetteur. Nous nous apercevons qu’en faisant varier la température mesurée par la sonde et que la sortie 4-20mA reste figée : Le transmetteur est HS. Si nous étions appelé pour vérifier une sonde de température, et bien dans ce cas là nous prenons le tableau de correspondance résistance / température et notre multimètre avec nous. Nous mesurons la résistance à l’ohmmètre de la sonde et après nous regardons à quelle température correspond la valeur de résistance mesurée à l’aide de notre tableau de correspondance.

Figure 189: Vérification d’un transmetteur avec une boîte à décade Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

Page 205 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

Exemple : je mesures à l’ohmmètre 138,5 ohms sur la sonde, je regarde dans mon tableau et je trouve pour R=138,5 ohms T°C= 100°C. Pour être vraiment complet, je regarde aussi l’échelle de température programmée sur le DCS. Par exemple : le transmetteur est configuré avec une échelle de mesure 0-200°C. Et bien en mettant, mon milliampèremètre en série sur la boucle de courant, je trouves I=12mA J’en conclue donc que ma sonde et mon transmetteur sont corrects. Nous pouvons aussi vérifier le transmetteur en simulant une résistance avec une boîte à décade voir figure ci dessus.

9.3.5.2. Thermocouple La panne qui peut se produire est que l’isolant des deux conducteurs se détériore au fil du temps à haute température, ce qui fait dériver la mesure petit à petit jusqu’à la rupture complète de l’isolant.

Figure 190: Vérification d'un thermocouple Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Concernant la vérification de l’élément sensible du thermocouple est identique à la sonde platine à part qu’au lieu de mesurer une résistance, nous mesurons une force électromotrice en mV. Concernant le transmetteur, nous pouvons prendre un simulateur de tension en millivolts et vérifier sur plusieurs tension la sortie 4-20mA tu transmetteur.

9.3.5.3. Etalonnage Concernant l’étalonnage des sondes pT100 et des thermocouples, le plus souvent c’est le fournisseur du matériel qui le prend à sa charge car il faut être vraiment bien équipé d’un four d’étalonnage soumis à des certifications et de thermomètres étalon. Si vous avez ce matériel à votre disposition, veuillez bien consulter le mode d’emploi pour ne pas faire d’erreurs d’étalonnage.

Figure 191 : Exemple de Four d’étalonnage Le four étalon nous permet de vérifier en plusieurs points de mesure les sondes de température et de les étalonner.

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Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

Avec un thermomètre étalon, nous pouvons vérifier si une sonde de température ne présente pas de dérives de mesure. On fonctionne par comparaison en mettant le thermomètre étalon dans le produit que la sonde de température process mesure si c’est possible bien sûr et nous comparons les mesures.

Figure 192 : Exemple de Thermomètre étalon

9.3.6. Thermomètres Bimétalliques Utilisent deux lames de métal, une ayant un coefficient de dilatation faible et l’autre un coefficient élevé. Les deux lames sont maintenues en contact par soudage. Pour une température donnée, l’élément bimétallique est droit, si cette température varie, la lame va se déformer sous forme d’un arc. Cette déformation est utilisée généralement pour entraîner une aiguille devant un cadrant gradué. L’étendue de mesure se situe entre 0C et 600C. Ils présentent des avantages par rapport aux thermomètres à dilatation de liquide sont plus beaucoup plus robustes Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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peuvent supporter sans dommage des dépassements d’étendue de mesure leur lecture est plus facile Ils sont utilisés pour corriger les variations de température ambiante dans les capteurs à bulbe.

Figure 193 : Exemple de Thermomètre Bimétallique

9.3.7. Pyromètre Optique S’appliquent à la mesure de températures élevées: 550 à 2 750 C La surface du milieu dont on veut mesurer la température est visée par un système optique à travers le filament étalonné d’une lampe. Un filtre rouge est employé pour que la comparaison entre la luminosité du milieu et celle du filament se fasse pour une longueur d’onde déterminée qui permet un étalonnage reproductible. Figure 194 : Exemple de Pyromètre optique Cette comparaison est effectuée en ajustant le courant dans le filament. Un ampèremètre monté en série permet de lire directement la température.

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Objectif Lentille

Filament Radiation

Oeil Filtre résistance réglable R

mA

Lecture

Trop bas

Correcte

Trop haut

Figure 195 : Lecture d’un pyromètre optique

9.3.8. Pyromètres à radiation S’appliquent à la mesure de températures de -50 à 4 000 C Un système optique permet de concentrer les radiations sur un capteur thermique La température de ce capteur dépend de la radiation totale reçue et de la conductibilité thermique du milieu. La radiation étant elle-même fonction de température du milieu Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

Le capteur peut être une thermopile ou un thermocouple sous vide. La thermopile est constituée de plusieurs thermocouples en série, arrangés de sorte que les jonctions de mesure se situent sur la surface d’impacte des radiations; les jonctions de référence étant en contact avec le boîtier du pyromètre à la température ambiante. Le thermocouple sous vide est un simple thermocouple dont la jonction de mesure est enfermée dans enveloppe en verre sous vide.

Objectif

Miroir

Lentille

Capteur

Oeil

Radiations

Diaphragme

1.

Figure 196 : Lecture d’un pyromètre à radiation

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Page 211 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

10. MONTAGE TRANSMETTEUR Pour tous les schémas de montage de transmetteurs, veuillez vous référer au cours « Plans Instrumentation »

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11. RACCORDEMENT ELECTRIQUE DES TRANSMETTEURS Pour tous les raccordements électriques de transmetteurs, veuillez vous référer au cours « Accessoires Instrumentation »

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Page 213 de

Formation Exploitation Instrumentation Capteurs et Transmetteurs

12. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1: Représentation graphique des signaux..................................................................8 Figure 2: Schématisation d’un capteur transmetteur...........................................................10 Figure 3: Détail du capteur transmetteur.............................................................................11 Figure 4: Représentation capteur pneumatique..................................................................14 Figure 5: Filtre Détendeur....................................................................................................15 Figure 6: Système bus palette.............................................................................................16 Figure 7: Courbe du déplacement buse palette.................................................................16 Figure 8: Le relais pneumatique..........................................................................................17 Figure 9: Le Transmetteur pneumatique.............................................................................18 Figure 10: Potentiomètre.....................................................................................................20 Figure 11: Constitution d’une jauge de contrainte...............................................................21 Figure 12: Pont de Wheatstone en équilibre.......................................................................22 Figure 13: Jauge semi-conductrice......................................................................................23 Figure 14: Capteur pièzorésistif...........................................................................................24 Figure 15: Circuit magnétique avec tube de bourdon vrillé.................................................25 Figure 16: Montage en demi pont........................................................................................25 Figure 17: Montage push-pull..............................................................................................25 Figure 18: Constitution capteur à mutuelle induction..........................................................26 Figure 19: Circuit de mesure (mutuelle induction)...............................................................26 Figure 20: Cellule capacitive................................................................................................27 Figure 21: Structure piézo-électrique tubulaire....................................................................28 Figure 22: Représentation transmetteur numérique............................................................29 Figure 23: Divers transmetteurs numérique dit « intelligent ».............................................30 Figure 24: Raccordement transmetteur sans réseau..........................................................31 Figure 25: Raccordement transmetteur avec réseau..........................................................32 Figure 26: Câblage modem « FSK »...................................................................................32 Figure 27: Principe du manomètre à tube en U...................................................................34 Figure 28: Manomètre à Tube Incliné..................................................................................35 Figure 29: Ménisque Concave et Convexe.........................................................................37 Figure 30: Exemples de Tube en U Droit et Incliné.............................................................37 Figure 31: Descriptif du Manomètre à Tube de bourdon.....................................................38 Figure 32: Représentation de la forme spirale et hélicoïdale..............................................38 Figure 33: Exemple de Manomètre à tube de bourdon.......................................................39 Figure 34: Montage contre les vibrations............................................................................40 Figure 35: Manomètre antivibratoires (bain d’huile)............................................................40 Figure 36: Exemple Siphon de refroidissement et montage...............................................41 Figure 37: Montage manomètre avec amortisseur de pulsations.......................................41 Figure 38: Montage manomètre avec séparateur...............................................................42 Figure 39: Montage manomètre avec séparateur limiteur..................................................42 Figure 40: Manomètre à membrane....................................................................................46 Figure 41: Manomètre à soufflet..........................................................................................47 Figure 42: Manomètre à capsule.........................................................................................48 Figure 43: Manomètre à pression différentielle...................................................................49 Figure 44: Exemple manometer à pression différentielle....................................................49 Figure 45: Ruban de Téflon.................................................................................................50 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 46: Exemple de robinets d’isolement.......................................................................50 Figure 47: Réglage manomètre...........................................................................................50 Figure 48: Exemple de reglage du zéro avec un manomètre de 0-4 bar............................51 Figure 49: Exemple de reglage de l’échelle avec un manomètre de 0-4 bar......................52 Figure 50: Réglage de la linéarité........................................................................................53 Figure 51: Exemple de pressostat.......................................................................................54 Figure 52: Descriptif du pressostat......................................................................................54 Figure 53: Exemple réglage pressostat...............................................................................55 Figure 54: Enregistreur Pneumatique..................................................................................57 Figure 55: Représentation mécanique.................................................................................58 Figure 56: Photo transmetteur de pression pneumatique...................................................59 Figure 57: Schéma transmetteur de pression relative ou absolue......................................60 Figure 58: Schéma transmetteur de pression différentielle.................................................60 Figure 59: Réglage du zéro.................................................................................................61 Figure 60: Zéro décalé sur un transmetteur pneumatique..................................................62 Figure 61: Réglage zéro du transmetteur pneumatique......................................................63 Figure 62: Réglage étendue d’échelle du transmetteur pneumatique................................65 Figure 63: Exemple de câblage pour étalonnage................................................................69 Figure 64: Exemple de câblage pour la configuration et l’étalonnage................................71 Figure 65 : Câblage transmetteur numérique......................................................................71 Figure 66 : Boutons intégré au transmetteur « ZERO et SPAN ».......................................72 Figure 67 : Exemple de menu configuration transmetteur numérique (ABB type 264)......74 Figure 68: Schématisation du Rotamètre............................................................................79 Figure 69: Flotteur rotamètre...............................................................................................79 Figure 70 : Divers Rotamètres.............................................................................................80 Figure 71 : Description d’un débitmètre à turbine................................................................81 Figure 72 : Schéma de principe du tube de Pitot................................................................82 Figure 73: Fonctionnement tube de Pitot............................................................................83 Figure 74 : Schéma de Principe de la Sonde Annubar.......................................................84 Figure 75 : La Sonde Annubar.............................................................................................85 Figure 76: Coefficient de débit.............................................................................................86 Figure 77: Equation de Bernouilli.........................................................................................88 Figure 78 : Schéma de Principe du Venturi.........................................................................89 Figure 79 : Principe de fonctionnement du diaphragme......................................................90 Figure 80: Arrêtes vives du diaphragme..............................................................................91 Figure 81: Plaque à orifice en quart de cercle.....................................................................91 Figure 82 : Plaque à orifice à entrée conique......................................................................92 Figure 83 : Plaque à orifice segmentaire.............................................................................92 Figure 84 : Plaque à orifice excentré...................................................................................92 Figure 85 : Montage des plaques à orifice..........................................................................92 Figure 86 : Plaques à orifice................................................................................................93 Figure 87: Prises par rapport à l'orifice................................................................................94 Figure 88 : Schéma de Principe de la Tuyère.....................................................................96 Figure 89: Pertes de charge résiduelle des organes déprimogènes...................................97 Figure 90 : Débitmètre Ultra-Son.........................................................................................97 Figure 91 : Principe du débitmètre à effet vortex.................................................................99 Figure 92 : Débitmètre à effet vortex.................................................................................100 Figure 93 : Principe du débitmètre électromagnétique......................................................101 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 94 : Détail du débitmètre électromagnétique.........................................................102 Figure 95: Champ magnétique..........................................................................................102 Figure 96 : Exemples de débitmètres électromagnétique.................................................103 Figure 97 : Principe du débitmètre massique thermique...................................................104 Figure 98 : Fonctionnement du débitmètre massique thermique......................................105 Figure 99 : Exemple de débitmètre massique thermique..................................................105 Figure 100 : Exemple de débitmètre à effet Coriolis.........................................................107 Figure 101: Niveau d'un liquide « à ciel ouvert »...............................................................111 Figure 102: Niveau d'un liquide dans une capacité fermée..............................................111 Figure 103: Niveau interface..............................................................................................111 Figure 104: Régulation de niveau......................................................................................112 Figure 105: Régulation pour éviter un débordement.........................................................113 Figure 106:Régulation cuve de mélange...........................................................................113 Figure 107: Maintien d’un niveau.......................................................................................113 Figure 108: Mesure d'un niveau........................................................................................114 Figure 109: Mesure directe d'un niveau............................................................................114 Figure 110: Mesure par pression hydrostatique................................................................115 Figure 111: Mesure directe ou indirecte?..........................................................................116 Figure 112 : Exemples de pige à ruban.............................................................................118 Figure 113 : Exemples de Niveau à transparence............................................................120 Figure 114 : Exemple de glaces........................................................................................121 Figure 115 : Schéma de principe du niveau à flotteur.......................................................122 Figure 116 : Exemple de Transmetteur de Niveau à flotteur.............................................122 Figure 117 : Niveau à flotteur à Transmission Magnétique...............................................123 Figure 118 : Exemple Niveau à flotteur à Transmission Magnétique................................123 Figure 119 : Niveau à flotteur « reed »..............................................................................124 Figure 120 : Exemple d’Indicateur à palettes magnétique................................................125 Figure 121 : Exemple de mesure de niveau sur un bac à ciel ouvert...............................128 Figure 122 : Exemple de mesure de niveau sur un bac à ciel fermée..............................129 Figure 123 : Exemple décalage positif du zéro sur bac à ciel ouvert................................130 Figure 124 : Exemple décalage négatif du zéro sur bac à ciel fermé...............................130 Figure 125 : Schéma de principe d’un plongeur................................................................131 Figure 126 : Schéma de principe avec plongeur immergé................................................132 Figure 127 : Principe d’une Mesure Dynamométrique......................................................133 Figure 128 : Schéma de principe d’un Tube de Torsion...................................................134 Figure 129 : Exemple de Transmetteur à Tube de Torsion..............................................135 Figure 130: Mesure niveau interface.................................................................................135 Figure 131: Stabilité plongeur............................................................................................136 Figure 132 : Schéma de principe du Palpeur électromécanique......................................138 Figure 133 : Principe du « bulle à bulle »..........................................................................139 Figure 134: Le condensateur.............................................................................................141 Figure 135: Condensateur cylindrique...............................................................................142 Figure 136: Symbole du condensateur..............................................................................142 Figure 137: Condensateur en parallèle.............................................................................142 Figure 138 : Schéma de Principe de Mesure Niveau Capacitif.........................................144 Figure 139 : Exemple réservoir métallique (devient conducteur)......................................145 Figure 140 : Exemple avec réservoir non métallique........................................................146 Figure 141 : Exemple Liquide Conducteur........................................................................147 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 142: Mesure par ultrason........................................................................................149 Figure 143: Principe ultrason.............................................................................................151 Figure 144 : Montage combiné (émetteur + récepteur).....................................................152 Figure 145 : Montage Séparé............................................................................................153 Figure 146 : Exemples de capteur transmetteur à ultrason..............................................153 Figure 147: Les ondes magnétiques.................................................................................156 Figure 148: Principe niveau radar......................................................................................157 Figure 149: Ondes radar....................................................................................................157 Figure 150 : Exemples de capteur transmetteur à radar à bride.......................................158 Figure 151 : Niveau Radar.................................................................................................159 Figure 152 : Propagation des ondes dans une antenne cône..........................................159 Figure 153 : Exemple de capteur transmetteur à radar sans bride...................................159 Figure 154 : Exemple de capteur transmetteur à radar Tubo-Guidé................................160 Figure 155 : Exemple de capteur transmetteur à radar Filoguidé pour liquides...............161 Figure 156 : Exemple de capteur transmetteur à radar Filoguidé pour solides................161 Figure 157 : Principe Détection par Flotteur......................................................................163 Figure 158 : Principe Détection par Lames Vibrantes.......................................................164 Figure 159 : Exemples de Lames Vibrantes......................................................................165 Figure 160 : Principe Détecteur à Palette Rotative...........................................................166 Figure 161 : Exemple Détecteur à Palette Rotative..........................................................166 Figure 162 : Exemple Détecteur à Palette Rotative..........................................................169 Figure 163: Exemple Thermomètre à dilatation de liquide................................................171 Figure 164: Détail du Thermomètre à dilatation de liquide................................................171 Figure 165 : Exemple de Thermomètre à dilatation de Gaz.............................................173 Figure 166 : Détail du Thermomètre à dilatation de Gaz..................................................173 Figure 167 : Tension de vapeur en fonction de la température (eau)...............................174 Figure 168 : Principe Thermomètres à tension de vapeur................................................175 Figure 169 : Exemple de Thermo manomètre (1).............................................................175 Figure 170: Exemple de Thermo manomètre (2)..............................................................176 Figure 171 : Principe du bilame à contacts.......................................................................178 Figure 172 : Détail de l’élément sensible (pT100).............................................................183 Figure 173 : Exemple de sonde pT100.............................................................................184 Figure 174 : Montage 3 fils................................................................................................185 Figure 175 : Montage 4 fils « Pont de Wheastone ».........................................................185 Figure 176 : Montage 4 fils « Mesure de Kelvin ».............................................................185 Figure 177 : Détail Sonde de température........................................................................186 Figure 178 : Exemple de Puits Thermométrique...............................................................187 Figure 179 : Exemple D’éléments sensibles interchangeable..........................................187 Figure 180 : Exemple Tête de raccordement....................................................................188 Figure 181 : Exemple Sonde De Température complète..................................................188 Figure 182 : Exemple transmetteur numérique de température intégré dans la tête de sonde..........................................................................................................................189 Figure 183 : Exemple transmetteur numérique de température déporté..........................190 Figure 184 : Résistance en fonction de la température pour une thermistance de type CTP BH et une sonde platine Pt100...................................................................................191 Figure 185 : Exemples de Thermistance...........................................................................191 Figure 186 : Schéma de principe du thermocouple...........................................................192 Figure 187 : Constitution du thermocouple........................................................................193 Manuel de Formation EXP-MN-SI050-FR Dernière Révision: 04/11/2008

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Figure 188 : Exemple de thermocouple.............................................................................193 Figure 189: Vérification d’un transmetteur avec une boîte à décade................................200 Figure 190: Vérification d'un thermocouple.......................................................................201 Figure 191 : Exemple de Four d’étalonnage.....................................................................202 Figure 192 : Exemple de Thermomètre étalon..................................................................203 Figure 193 : Exemple de Thermomètre Bimétallique........................................................204 Figure 194 : Exemple de Pyromètre optique.....................................................................204 Figure 195 : Lecture d’un pyromètre optique.....................................................................205 Figure 196 : Lecture d’un pyromètre à radiation................................................................206

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13. SOMMAIRE DES TABLEAUX Table 1: Comparaison entre transmetteur électrique et numérique....................................33 Table 2: Principaus types de séparateurs...........................................................................45 Table 3: Comparaison des organes déprimogènes............................................................96 Table 4: Comparatif des différentes types de débitmètres................................................110 Table 5: Comparaison niveaux à glace.............................................................................120 Table 6: Relations entre les unités de température...........................................................169 Table 7: Liquides de remplissage......................................................................................176 Table 8: Coëfficients pour différents .......................................................................................180 Table 9: Tableau de correspondance de la résistance en fonction de la température.....183 Table 10: Tableau normalise de classe de tolérance des sondes pT100.........................184 Table 11: Tableau récapitulatif des différents types de thermocouple..............................192 Table 12: Nature de l'isolant en fonction de la température..............................................193 Table 13: Tableau de correspondance de la tension / température..................................198 Table 14: Avantages et inconvénients des thermomètres électriques..............................199

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