Mécontentement Les instruments de niveau exploitent Le principe d'Archimède pour détecter le niveau d'un liquide en mesurant en continu le poids d'un objet (appelé le mécontentement) immergé dans le liquide de traitement. À mesure que le niveau de liquide augmente, le déplaceur subit une force de flottabilité plus importante, ce qui le fait apparaître plus léger pour l'instrument de détection. Ce dernier interprète la perte de poids comme une augmentation de niveau et transmet un signal de sortie proportionnel.

Mécontentement instruments de niveau

En pratique, un instrument de mesure de niveau à flotteur prend généralement la forme suivante. Par souci de simplification, les tuyauteries d'entrée et de sortie du fluide de procédé ont été omises ; seuls le récipient et son instrument de mesure de niveau à flotteur sont représentés.

Mécontentement instruments de niveauL'élément lui-même est généralement un tube métallique étanche, suffisamment lesté pour ne pas flotter dans le liquide de traitement. Il est suspendu à l'intérieur d'une cage reliée à la cuve de traitement par deux vannes d'arrêt et des buses. Ces deux raccords permettent d'assurer que le niveau de liquide à l'intérieur de la cage corresponde à celui de la cuve, à la manière d'un indicateur de niveau.

Si le niveau de liquide dans la cuve de traitement monte, le niveau de liquide dans la cage monte également. Cela immerge une plus grande partie du volume du déplaceur, créant une force de poussée verticale ascendante. Le déplaceur étant trop lourd pour flotter, il ne se déplace pas à la surface du liquide et ne monte pas de la même hauteur que ce dernier. Il reste en place dans la cage et devient plus léger à mesure que la force de poussée augmente. Le capteur de poids détecte cette force de poussée lorsqu'il perçoit l'allègement du déplaceur, interprétant cette diminution de poids apparent comme une hausse du niveau de liquide. Le poids apparent du déplaceur atteint un minimum lorsqu'il est entièrement immergé, c'est-à-dire lorsque le liquide de traitement remplit la cage à 100 %.

Il convient de noter que la pression statique à l'intérieur du récipient aura un effet négligeable sur la précision d'un instrument à déplacement. Le seul facteur important est la densité du fluide de procédé, puisque la force de flottabilité est directement proportionnelle à la densité du fluide ($F=c\mathrm{Dans}$).

La photographie suivante montre un transmetteur pneumatique Fisher modèle « Level-Trol » mesurant le niveau de condensat dans un tambour KO pour le service de gaz naturel. L'instrument lui-même apparaît sur la droite de la photo, surmonté d'une « tête » grise avec deux manomètres pneumatiques visibles. La « cage » du piston est le tuyau vertical situé juste derrière et en dessous de la tête. Notez qu'un indicateur de niveau à voyant apparaît sur le côté gauche de la chambre de dégazage (ou botte à condensation) pour l'indication visuelle du niveau de condensat à l'intérieur de la cuve de traitement :

Cet instrument de mesure spécifique a pour but de mesurer la quantité de liquide de condensation recueillie à l'intérieur du manchon. Ce modèle de Fisher Level-Trol est livré avec un mécanisme de commande pneumatique envoyant un signal de pression d'air à une vanne de vidange pour évacuer automatiquement le condensat du manchon.

Deux photos d'un instrument à flotteur Level-Trol démonté apparaissent ici, montrant comment le flotteur s'insère à l'intérieur du tube de la cage :

Le tube de la cage est raccordé à la cuve de traitement par deux vannes d'arrêt, permettant ainsi son isolement du procédé. Une vanne de vidange permet de vider la cage du liquide de traitement pour la maintenance des instruments et l'étalonnage du zéro.

Certains capteurs de niveau à flotteur ne comportent pas de cage, mais suspendent directement l'élément flotteur dans la cuve de traitement. On les appelle capteurs « sans cage ». Les instruments sans cage sont évidemment plus simples que les instruments à cage, mais leur maintenance nécessite la dépressurisation (voire la vidange) de la cuve. Ils sont également sensibles aux erreurs de mesure et aux perturbations si le liquide contenu dans la cuve est agité, que ce soit par des vitesses d'écoulement élevées à l'entrée et à la sortie de la cuve, ou par l'action d'agitateurs motorisés installés dans la cuve pour assurer un mélange homogène du ou des liquides de traitement.

L'étalonnage complet peut être effectué en remplissant la cage avec le liquide de traitement (a mouillé (étalonnage), ou en suspendant le déplaceur à l'aide d'une ficelle et d'une échelle de précision (un sec (étalonnage), en tirant vers le haut sur le déplaceur juste assez fort pour simuler la flottabilité à 100 % du niveau de liquide :

Le calcul de cette poussée d'Archimède est simple. Selon le principe d'Archimède, la poussée d'Archimède est toujours égale au poids du volume de fluide déplacé. Dans le cas d'un instrument de niveau à flotteur fonctionnant à pleine échelle, cela signifie généralement que le volume total de l'élément flotteur est immergé dans le liquide. Il suffit de calculer le volume du flotteur (s'il s'agit d'un cylindre, $\mathrm{Dans}=p{r}^{2}l$, où $r$ est le rayon du cylindre et $l$ est la longueur du cylindre) et multipliez ce volume par la masse volumique ($c$):

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}=c\mathrm{Dans}$$

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}=cp{r}^{2}l$$

Par exemple, si la masse volumique du fluide de procédé est de 57,3 livres par pied cube et que le déplaceur est un cylindre de 3 pouces de diamètre et de 24 pouces de longueur, la force nécessaire pour simuler une condition de flottabilité à niveau maximal peut être calculée comme suit :

$$c=\left(\frac{\text{57,3 lb}}{{\text{pieds}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 pied}}^3}{{12}^3{\text{ dans}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{kg}}{{\text{dans}}^3}$$

$$\mathrm{Dans}=p{r}^{2}l=p(1.5\text{ dans}{)}^2(24\text{ dans})=\mathrm{169,6}{\text{ dans}}^3$$

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}=c\mathrm{Dans}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{kg}}{{\text{dans}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ dans}}^3\right)=\mathrm{5,63}\text{ kg}$$

Il est essentiel de veiller à la cohérence des unités ! La masse volumique du liquide est exprimée en livres par mètre cube. pied et les dimensions du déplaceur dans poucesCela aurait posé de sérieux problèmes sans conversion entre pieds et pouces. Dans mon exemple, j'ai choisi de convertir la densité en livres par pouce cube, mais j'aurais tout aussi bien pu convertir les dimensions du piston en pieds pour obtenir son volume en pieds cubes.

Lors d'un étalonnage « humide », la poussée d'Archimède de 2,55 kg (5,63 livres) est générée par le liquide lui-même. Le technicien s'assure qu'il y a suffisamment de liquide dans la cage pour simuler un niveau de 100 %. Lors d'un étalonnage « sec », la poussée d'Archimède est simulée par une tension appliquée vers le haut sur le flotteur à l'aide d'un dynamomètre et d'une ficelle. Le technicien exerce une force de 2,55 kg (5,63 livres) pour que l'instrument « croie » qu'il détecte un niveau de liquide de 100 %, alors qu'en réalité, le flotteur est complètement sec et suspendu dans l'air.

Tubes de couple Mécontentement instruments de niveau

Un problème de conception intéressant pour les transmetteurs de niveau à déplacement est de savoir comment transférer le poids mesuré du déplaceur au mécanisme du transmetteur tout en assurant une étanchéité parfaite avec la pression de vapeur du procédé provenant de ce même mécanisme. La solution la plus courante à ce problème est un mécanisme ingénieux appelé… tube de torsionMalheureusement, les tubes de torsion peuvent être assez difficiles à comprendre à moins d'y avoir un accès direct et pratique ; cette section explorera donc le concept plus en détail que ce qui est généralement disponible dans les manuels de référence.

Imaginez une tige métallique horizontale et rigide, munie d'une bride à une extrémité et d'un levier perpendiculaire à l'autre. La bride est fixée à une surface fixe, et une masse est suspendue à l'extrémité du levier. Le cercle en pointillés indique l'endroit où la tige est soudée au centre de la bride.

La force exercée par le poids sur le levier induit une force de torsion (couple) sur la tige, provoquant une légère torsion longitudinale. Plus le poids suspendu à l'extrémité du levier est important, plus la torsion de la tige sera prononcée. Tant que le couple appliqué par le poids et le levier ne dépasse pas la limite d'élasticité de la tige, celle-ci continue de se comporter comme un ressort. Si l'on connaît la constante de raideur de la tige et que l'on mesure sa déformation en torsion, on peut utiliser cette légère déformation pour déterminer la masse du poids suspendu à l'extrémité du levier.

Appliqué à un instrument de mesure de niveau à flotteur, un flotteur remplace le poids à l'extrémité du levier. La déformation en torsion de cette tige indique la poussée d'Archimède. Lorsque le liquide monte, la poussée d'Archimède exercée sur le flotteur augmente, ce qui donne l'impression que le flotteur est plus léger du point de vue de la tige. Le léger mouvement de la tige résultant de cette variation de poids apparente indique alors le niveau du liquide.

Imaginez maintenant percer un long trou dans la tige, dans le sens de la longueur, qui atteint presque l'extrémité où le levier est fixé. Autrement dit, imaginez un trou borgne au centre de la tige, en partant de la bride et en s'arrêtant juste avant le levier :

La présence de ce trou allongé ne modifie pas fondamentalement le comportement de l'ensemble, si ce n'est peut-être la constante de raideur de la tige. Avec moins de métal massif, la tige se comporte comme un ressort plus faible et se tord davantage sous l'effet du poids appliqué à l'extrémité du levier. Plus important encore pour notre propos, ce trou allongé transforme la tige en un tube avec une extrémité scellée. Au lieu d'être une « barre de torsion », la tige est maintenant plus justement appelée une tube de torsion, en effectuant une très légère torsion sous l'effet du poids appliqué à l'extrémité du levier.

Afin d'assurer un support vertical au tube de torsion et d'éviter qu'il ne s'affaisse sous le poids appliqué, un support est nécessaire. palier à lame Il est souvent placé sous l'extrémité du levier, à l'endroit où il se fixe au tube de torsion. Ce point d'appui a pour but de soutenir verticalement le poids tout en formant un point de pivot pratiquement sans frottement, garantissant ainsi que la seule contrainte appliquée au tube de torsion est… couple à partir du levier :

Enfin, imaginez une autre tige métallique pleine (de diamètre légèrement inférieur à celui du trou) soudée par points à l'extrémité du trou borgne, s'étendant au-delà de l'extrémité de la bride :

Le rôle de cette tige de plus petit diamètre est de transmettre le mouvement de torsion de l'extrémité du tube de torsion à un point situé au-delà de la bride, où il peut être détecté. Imaginons la bride fixée à un mur vertical, tandis qu'un poids variable exerce une traction vers le bas à l'extrémité du levier. Le tube de torsion se déformera sous l'effet de cette force variable, et nous pouvons désormais observer précisément l'amplitude de cette torsion en mesurant la rotation de la tige de plus petit diamètre du côté le plus proche du mur. Bien que le poids et le levier soient complètement cachés par le mur, la torsion de la tige révèle néanmoins la déformation du tube de torsion sous la force exercée par le poids.

Ce mécanisme de tube de torsion peut être appliqué à la mesure du niveau de liquide dans un récipient sous pression. Pour ce faire, on remplace le poids par un flotteur, on fixe la bride à une buse soudée au récipient et on aligne un capteur de mouvement avec l'extrémité de la tige pour mesurer sa rotation. Lorsque le niveau de liquide monte ou descend, le poids apparent du flotteur varie, ce qui provoque une légère torsion du tube de torsion. Cette légère torsion est ensuite détectée à l'extrémité de la tige, dans un environnement isolé de la pression du fluide de procédé.

Une photographie prise d'un véritable tube de torsion d'un transmetteur de niveau Fisher « Level-Trol » montre son aspect extérieur :

La partie métallique foncée est l'acier élastique qui suspend le poids en faisant office de ressort de torsion, tandis que la partie brillante est la tige intérieure qui transmet le mouvement. Comme vous pouvez le constater, le tube de torsion lui-même a un diamètre assez faible. S'il était plus large, le ressort serait beaucoup trop rigide pour être utilisable dans un niveau à flotteur, car le flotteur n'est généralement pas très lourd et le levier est court.

En regardant de plus près chaque extrémité du tube de torsion, on découvre l'extrémité ouverte où la tige de petit diamètre fait saillie (à gauche) et l'extrémité « aveugle » du tube où il se fixe au levier (à droite) :

Si l'on coupait l'ensemble du tube de torsion en deux, dans le sens de la longueur, sa section transversale ressemblerait à ceci :

L'illustration suivante montre le tube de couple comme partie intégrante d'un transmetteur de niveau à déplacement :

Comme vous pouvez le constater sur cette illustration, le tube de torsion remplit trois fonctions distinctes lorsqu'il est appliqué à une application de mesure de niveau de type déplaceur : (1) servir de ressort de torsion suspendant le poids du déplaceur, (2) isoler la pression du fluide de processus du mécanisme de détection de position et (3) transférer le mouvement de l'extrémité du tube de torsion au mécanisme de détection.

Dans les transmetteurs de niveau pneumatiques, le mécanisme de détection utilisé pour convertir le mouvement de torsion du tube de torsion en un signal pneumatique (pression d'air) est généralement de type équilibre du mouvement Conception. Le mécanisme Fisher Level-Trol, par exemple, utilise un tube de Bourdon en forme de C, muni d'une buse à son extrémité, qui suit un déflecteur fixé à une petite tige. Le centre du tube de Bourdon est aligné avec celui du tube de torsion. Lorsque la tige tourne, le déflecteur avance vers la buse située à l'extrémité du tube de Bourdon, ce qui provoque une augmentation de la contre-pression et, par conséquent, la flexion du tube. Cette flexion éloigne la buse du déflecteur jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint. Le mouvement de la tige est ainsi compensé par celui du tube de Bourdon, faisant de ce système un système pneumatique à compensation de mouvement.

Mesure du niveau d'interface de déplacement

Displacer level instruments may be used to measure liquid-liquid interfaces just the same as hydrostatic pressure instruments. One important requirement is that the displacer always be fully submerged (“flooded”). If this rule is violated, the instrument will not be able to discriminate between a low (total) liquid level and a low interface level. This criterion is analogous to the use of compensated-leg differential pressure instruments to measure liquid-liquid interface levels: in order for the instrument to solely respond to changes in interface level and not be “fooled” by changes in total liquid level, both process connection points must be submerged.

If the displacer instrument has its own “cage,” it is important that both pipes connecting the cage to the process vessel (sometimes called “nozzles”) be submerged. This ensures the liquid interface inside the cage matches the interface inside the vessel. If the upper nozzle ever goes dry, the same problem can happen with a caged displacer instrument as with a “sightglass” level gauge (see section [interface_trouble] beginning on page for a detailed explanation of this problem.).

Calculating buoyant force on a displacer element due to a combination of two liquids is not as difficult as it may sound. Archimedes’ Principle still holds: that buoyant force is equal to the weight of the fluid(s) displaced. All we need to do is calculate the combined weights and volumes of the displaced liquids to calculate buoyant force. For a single liquid, buoyant force is equal to the weight density of that liquid ($\gamma$) multiplied by the volume displaced ($V$):

$$F_{buoyant}=\gamma V$$

For a two-liquid interface, the buoyant force is equal to the sum of the two liquid weights displaced, each liquid weight term being equal to the weight density of that liquid multiplied by the displaced volume of that liquid:

$$F_{buoyant}={\gamma }_1{V}_1+{\gamma }_2{V}_2$$

Assuming a displacer of constant cross-sectional area throughout its length, the volume for each liquid’s displacement is simply equal to the same area ($\pi r^2$) multiplied by the length of the displacer submerged in that liquid:

$$F_{buoyant}={\gamma }_1\pi r^2{l}_1+{\gamma }_2\pi r^2{l}_2$$

Since the area ($\pi r^2$) is common to both buoyancy terms in this equation, we may factor it out for simplicity’s sake:

$$F_{buoyant}=\pi r^2({\gamma }_1{l}_1+{\gamma }_2{l}_2)$$

Determining the calibration points of a displacer-type level instrument for interface applications is relatively easy if the LRV and URV conditions are examined as a pair of “thought experiments” just as we did with hydrostatic interface level measurement. First, we imagine what the displacer’s condition would “look like” with the interface at the lower range value, then we imagine a different scenario with the interface at the upper range value. Sketching illustrations of each scenario is recommended for clarity.

Supposons un instrument à flotteur mesurant le niveau d'interface entre deux liquides de densités respectives de 0,850 et 1,10. Ce flotteur mesure 30 pouces de long et 2,75 pouces de diamètre (rayon = 1,375 pouce). Supposons également que le niveau d'interface le plus bas (LRV) corresponde à la base du flotteur et le niveau d'interface le plus haut (URV). Le positionnement des interfaces LRV et URV aux extrémités du flotteur simplifie les calculs : le LRV sera simplement immergé dans le liquide le plus léger et l'URV dans le liquide le plus dense.

Calcul de la force de flottabilité du LRV :

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}\text{ (L'Amérique latine)}=c_2\mathrm{Dans}=c_{2}p{r}^{2}l$$

Calcul de la force de flottabilité de l'URV :

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}\text{ (URV)}=c_1\mathrm{Dans}=c_{1}p{r}^{2}l$$

Voici les calculs concrets pour cet exemple hypothétique :

$$c_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{kg}}{{\text{pieds}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{kg}}{{\text{pieds}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{kg}}{{\text{dans}}^3}$$

$$c_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{kg}}{{\text{pieds}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=53.0\frac{\text{kg}}{{\text{pieds}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{kg}}{{\text{dans}}^3}$$

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}\text{ (L'Amérique latine)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{kg}}{{\text{dans}}^3}\right)p(\mathrm{1,375}\text{ dans}{)}^2(30\text{ dans})=\mathrm{5,47}\text{ kg}$$

$$F_{b\mathrm{dans}\mathrm{le}\mathrm{et}\mathrm{un}nt}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{kg}}{{\text{dans}}^3}\right)p(\mathrm{1,375}\text{ dans}{)}^2(30\text{ dans})=7.08\text{ kg}$$

La flottabilité pour tout pourcentage de mesure entre le LRV (0%) et l'URV (100%) peut être calculée par interpolation :