Mesure du niveau (LA LIMNIMÈTRIE)

Dans un contexte industriel, la mesure continue et précise du volume d’un liquide dans un récipient a toujours été difficile. Cette tâche est encore plus difficile dans une centrale nucléaire qui contient des liquides très
acides ou alcalins, ou dont la température et la pression peuvent être très élevées. Dans cette section nous discutons de la mesure de la hauteur des liquides dans des récipients et l’effet de la température, de la pression et de l’environnement sur cette mesure. Nous considérerons également les divers modes de défaillance. 



1. Fondements de la limnimétrie



Certains systèmes sont très simples : on peut lire la hauteur d’un liquide au travers d’un voyant ou sur un niveau à glace et déduire son volume.
D’autres systèmes utilisent des flotteurs reliés à des potentiomètres, ou rhéostats, dont la résistance électrique varie en fonction de la position du flotteur. Ce signal alimente un transducteur qui émet un signal à un instrument étalonné qui donnera la hauteur ou le volume.  


Dans cette section, nous étudierons les situations plus complexes ou seule une mesure indirecte de la hauteur d’un liquide est possible. On peut effectuer cette mesure à partir de la pression exercée par le liquide dans un
récipient. 
La pression à la base d’un récipient, la pression hydrostatique, résulte de la gravité et est donc directement proportionnelle à la hauteur du liquide. En d’autres termes, si le niveau double, la pression doublera, ce qui peut s’exprimer comme suit : 



P= S.H


où 
P est la pression mesurée en pascals,
S est le poids volumique du liquide mesuré en N/m3
 et
 H est la hauteur de la colonne de liquide en mètres. 


Le poids volumique, est défini comme :  
S=g.ρ 
où:
ρ est la masse volumique mesurée en kg/m3
 g est l’accélération gravitationnelle (9,81 m/s²).  


On peut trouver la hauteur d’un liquide dans un réservoir en mesurant la pression, si le poids volumique est constant. 
La capsule à pression différentielle sont les dispositifs les plus souvent utilisés pour mesurer la pression à la base du réservoir.  


On appelle transmetteur de niveau, un transmetteur de pression différentielle utilisé pour mesurer la hauteur d’un liquide.
Pour maximiser la sensibilité, on devra utiliser une capsule dont la sensibilité est la plus proche possible des pressions prévues pour le liquide. Toutefois, les pression de systèmes sont souvent beaucoup plus
élevées que la pression hydrostatique que l’on doit mesurer. Si au cours de son installation dans le circuit ou de son enlèvement, la pression du procédé est appliquée accidentellement à un seul côté de la capsule, il y a
risque de surpression et elle pourrait être endommagée ce qui se traduirait par des mesures erronées. 


2. La claviature à trois vannes 




On utilise une claviature à trois vannes pour prévenir l’application d’une surpression sur la capsule. Elle permet également d’isoler le transmetteur de la boucle du procédé. Une claviature à trois vannes est formée de deux vannes de coupure, pour les pressions haute et basse et d’une vanne
d’équilibrage des pressions. On désigne parfois la claviature par son nom anglais : manifold. La figure 1 montre une installation typique. 






La claviature à trois vannes
(LT : transmetteur de niveau) 

Lors des activités normales, la vanne d’équilibrage est fermée et les deux vannes de coupure sont ouvertes. Pour isoler le transmetteur du réseau ou la remettre en service, on doit actionner les vannes de façon à ne pas exposer un seul côté de la capsule à pression différentielle à une pression élevée.

Actionnement de la claviature à trois valves

Mise en service du transmetteur de pression 


Pour brancher le transmetteur de pression différentielle au reste du réseau, l’on doit effectuer les actions suivantes : 
Contrôler que toutes les vannes sont fermées. 


1.  Ouvrir la vanne d’équilibrage, ce qui garantie qu’une pression identique sera appliquée aux deux côtés du transmetteur — la pression différentielle sera nulle. 
2.  Ouvrez lentement la vanne de coupure du côté haute pression. Contrôlez la présence de fuite aux côtés haut et basse pressions du transmetteur.
3.  Fermez la vanne d’égalisation. Ceci stabilise la pression des deux côtés du transmetteur.
4.  Ouvrez la vanne de coupure de la basse pression afin d’appliquer
la pression du procédé sur le côté basse pression du transmetteur et créer la différence de pression normale.
5.  Le transmetteur est maintenant en service. 


Nota : Il pourrait être nécessaire de purger l’air emprisonné dans le boîtier de la capsule. 

Isoler le transmetteur du réseau
Pour retirer le transmetteur du service, il suffit d’inverser la procédure exposée ci-dessus.
1.  Fermer la vanne de coupure du côté basse pression.
2.  Ouvrir la vanne d’équilibrage.
3.  Fermer la vanne de coupure du côté haute pression. 


Le transmetteur est maintenant isolé.
Nota : L’intérieur du boîtier de la capsule du transmetteur est encore à la pression du procédé. Il faudra la purger. 


3.Mesure du niveau dans une cuve ouverte



Le cas le plus simple est la mesure du niveau d’un liquide dans une cuve ouverte. On peut voir à la figure 2 une installation typique de mesure de la hauteur d’un liquide utilisant une capsule de pression différentielle. 
 Figure 2
Mesure du niveau de liquide dans une cuve ouverte
 

Puisque la cuve donne sur l’atmosphère, on en relie la base au côté haute pression du transmetteur, le côté basse pression étant ouvert à l’air. Le transmetteur de niveau fonctionne comme un simple transmetteur de pression. Ce qui s’exprime comme : 

 








On peut étalonner le transmetteur de niveau pour qu’il émette un signal de 4 mA lorsque la cuve est vide et de 20 mA lorsqu’elle est pleine. 

4.  Mesure en cuve fermée



Lorsqu’une cuve est fermée, un gaz ou de la vapeur peut se former au-dessus du liquide. Il faut donc compenser pour la pression supplémentaire du gaz. Tout changement de la pression du gaz causera un se traduira par une variation dans le signal du transmetteur. Dans certains cas, la pression exercée par la phase gazeuse peut être si élevée que la pression hydrostatique de la phase liquide soit négligeable. Par exemple, la pression hydrostatique d’un générateur de vapeur d’une centrale CANDU pourrait n’être que de 30 kPa (trois mètres), alors que la pression de vapeur atteint habituellement 5 MPa. On peut compenser cette différence en appliquant la pression du gaz aux deux côtés du transmetteur de niveau. On utilise alors la pression du gaz comme pression de référence sur le côté basse pression de la cellule à pression différentielle. On comprend facilement l’utilité de la claviature à trois vannes pour protéger la cellule de ces surpressions. 
La mesure du niveau dans une cuve fermée, exige un arrangement différent des conduites de pression, comme le montre la figure 3.   
Figure 3
Installation typique de mesure du niveau dans une cuve fermée

(LT : transmetteur de niveau) 

Nous avons : 
La pression due au gaz est éliminée, et seule la pression causée par la hauteur du liquide est mesurée. Lorsque la conduite de basse pression est connectée directement à la phase gazeuse au-dessus du liquide, on parle de conduite sèche. 

Conduite sèche
La figure 4 montre une installation complète avec une conduite sèche et une claviature à trois vannes. 


Figure 4
Installation avec une conduite sèche et une claviature à trois vannes 

Si le gaz peut se condenser — de la vapeur d’eau par exemple — une colonne de liquide peut se former dans conduite à basse pression, laquelle exercera une pression supplémentaire dans la moitié basse pression du transmetteur. On peut résoudre cette difficulté en installant un pot de condensation sous le transmetteur, du côté basse pression, comme le montre la figure 4. Il faut purger régulièrement le liquide du pot de condensation, pour s’assurer que la conduite de pression ne contient que du gaz.  

En pratique, on utilise rarement les conduites sèches à cause de la fréquence des opérations d’entretien nécessaires. Dans une centrale, les conduites sèches sont notamment utilisées pour mesurer la hauteur du
liquide dans une cuve d’injection de poison. Le gaz, dans ce cas, est l’hélium qui ne peut se condenser. Dans la plupart des cas, on utilise une conduite humide pour mesurer les niveaux dans les cuves fermées. 


Conduite noyée 

Dans ce type de système, la conduite de basse pression est complètement remplie de liquide (normalement le même liquide que le procédé), d’où son nom de « conduite noyée ». Le transmetteur de niveau et sa claviature à trois vannes remplissent les mêmes rôles que dans le système à conduite sèche. La figure 5 montre une installation typique.  


Figure 5
Montage avec une conduite noyée 

Au sommet de la conduite de mesure de la basse pression se trouve une petite cuve fermée appelé « pot de référence ». Le gaz ou la vapeur se condenseront dans la conduite noyée et le « pot de référence ». Le pot de référence qui communique avec la cuve par une conduite inclinée, conserve une pression hydrostatique constante sur le côté basse pression du transmetteur de niveau. Cette pression constante peut facilement être corrigée lors de l’étalonnage. (Notez qu’il convient d’actionner la claviature à trois vannes pour maintenir le liquide dans la conduite.)
Si le réservoir est à l’extérieur, il pourrait être nécessaire de chauffer la conduite noyée pour prévenir le gel du liquide. On enroulera du fil chauffant autour de la conduite un tuyau contenant de la vapeur pour 


conserver la température du liquide de condensation au-dessus de son point de solidification. 
Notez les deux séries de robinets de purge. Ceux situés proches du transmetteur sont prévus uniquement à la purge du transmetteur. Les deux autres robinets, directement au-dessus de la claviature à trois vannes sont utilisées pour la purge et le remplissage de la conduite de haute pression etla conduite humide.
En plus de la claviature à trois vannes, la plupart des installations de transmetteurs ont des vannes de coupure au point où les conduites de pression sont branchées au procédé. Ces vannes de coupure servent à isoler le transmetteur lors d’activités d’entretien. 


Compensation pour la hauteur
On ne peut pas toujours placer les cellules à pression différentielle exactement au fond des cuves dont nous mesurons le niveau. Le système de mesure doit donc tenir compte la pression hydrostatique du liquide dans les conduite de détection. Deux compensations sont nécessaires. 


Déplacement du zéro vers le bas

Parfois, on ne peut pas monter le transmetteur de zéro au fond de la cuve. Supposons que pour faciliter l’entretien, l’on ait installé le transmetteur à X mètres du fond d’une cuve ouverte, tel que montré à la figure 6.  
Transmetteur de niveau avec déplacement du zéro 


Dans la cuve, le liquide exerce une pression variant en fonction de sa hauteur, H, sur la moitié haute pression du transmetteur. Le liquide dans la  conduite de détection à haute pression exerce également une pression sur le côté haute pression. Cette pression toutefois ne varie pas avec le temps.  Si la hauteur du liquide dans la cuve et de H mètres et la conduite est longue de X mètres, la pression dans la moitié haute pression du transmetteur sera :  

Donc la pression du côté haute pression sera toujours supérieure de S · X à la pression réelle exercée par la hauteur de liquide dans la cuve. À cause de cette pression constante, le signal de sortie sera supérieur à 4 mA si la cuve et vide et à 20 mA si elle est pleine. Il faut tarer le transmetteur par une valeur égale à – S · X pour que son signal soit purement proportionnel à S · H. On appelle cette procédure que l’on peut effectuer lors de l’étalonnage du transmetteur « tarage à zéro vers le bas » ou « déplacement du zéro vers le bas ». On peut installer dans le transmetteur un accessoire de déplacement du zéro.  

Déplacement du zéro vers le haut
Lorsque l’on utilise une conduite noyée (figure 7) la moitié basse pression du transmetteur de niveau sera toujours soumise à une pression supérieure à la moitié haute pression. Cette situation s’explique par le fait que la hauteur de la conduite noyée, X, est toujours supérieure ou égale à la hauteur maximale du liquide, H, dans la cuve. Donc : 




La différence de pression, ΔP, exercée sur le transmetteur est toujours négative (la pression du côté basse pression est plus élevée que celle du côté haute pression). Si la cuve est vide, la pression différentielle sera
égale à ΔP = – S · X et, si elle est pleine, à ΔP = – S · (X – H). 
Si on ne corrige pas à l’étalonnage cette erreur négative constante, égale à - S.X  le transmetteur donnera toujours des valeurs trop basses. 
Pour étalonner correctement le transmetteur ont doit donc lui donner un biais positif constant égal à  + S.X  . 


Cette technique de tarage est appelée déplacement du zéro vers le haut.  

Compensation du zéro pour la hauteur de la conduite noyée 


5 .Limnimètre à bulles



Il est préférable d’éviter mettre un transmetteur de niveau en contact avec un liquide radioactif, corrosif ou contenant des solides en suspension. Pour mesurer leur niveau, on peut utiliser un limnimètre à bulles. 

Utilisation d’un limnimètre à bulles dans une cuve ouverte
Montage d’un limnimètre à bulles dans une cuve ouvert

La figure 8 monte un montage typique pour un limnimètre à bulles : le tube de bullage (ou canne d’insufflation) est immergée jusqu’au fond de la cuve contenant le liquide dont on veut mesurer la hauteur. Un gaz (le gaz de bullage) est poussé dans le tube. Supposons au départ que la cuve est vide. Le gaz peut donc s’échapper librement à l’extrémité du tube et la pression d’alimentation du gaz est égale à la pression atmosphérique. À mesure que l’on verse du liquide dans la cuve, la pression hydrostatique exercée par le liquide et donc à l’embouchure du tube s’accroît. De fait, la pression du liquide roue le rôle d’un sceau qui empêche le gaz de bullage de quitter le tube. 

Conséquemment, la pression d’alimentation dans le tube devra s’accroître pour contrebalancer la pression hydrostatique du liquide (P = S · H). À l’équilibre la pression d’alimentation dans le tube de bullage sera égale à la pression hydrostatique du liquide. Elle restera constante tant que le niveau du liquide demeurera constant. Tout surcroît de pression provoquera la production de bulles dans le liquide. 

La pression d’alimentation augmentera proportionnellement au niveau du liquide, si sa masse volumique est constante.  Un transmetteur de niveau (cellule de pression différentielle) peut servir à la mesure de la pression d’alimentation. Si la cuve est ouverte, on relie le côté haute pression au tube de bullage et on laisse le côté basse pression ouvert à l’air. La sortie du transmetteur est proportionnelle à la hauteur du liquide. 


Pour garantir l’ininterruption du bullage, quel que soit le niveau, on pourra installer un relais de pression différentielle constante dans la conduite du gaz de bullage. Ce relais entretient un débit constant du dans le tube, en dépit des variations de la hauteur du liquide ou de l’alimentation, ce qui garantie que le bullage continuera même au niveau maximum et, s’il y a peu de liquide, que le débit des bulles n’augmentera pas au point de perturber la surface du liquide. On retiendra que seul la constance du bullage garantie la précision du signal de mesure.
Les liminimètres à bulles possèdent un atout important : la position du transmetteur de niveau n’est pas fixe, puisqu’il ne capte que la pression d’alimentation du gaz d’alimentation. On peut donc les placer à une certaine distance du procédé. On mesure le niveau des piscines de stockage du combustible avec un limnimètre à bulles. 


Utilisation d’un limnimètre à bulles dans une cuve fermée
Si on utilise un liminimètre à bulles pour mesurer la hauteur d’un liquide dans une cuve fermée, on devra prévoir un moyen de régulariser la pression dans le volume occupé par le gaz. Sinon l’accumulation du gaz des bulles qui s’échappent du liquide feront augmenter la pression statique au point où la pression d’alimentation du bullage ne pourra la contrebalancer. En conséquence, le bullage sera interrompu et le signal sera imprécis. Comme pour les mesures indirecte du niveaux dans une cuve fermée, le côté basse pression du transmetteur de niveau devra être relié au volume occupé par le gaz pour tenir compte de la pression du gaz.
On utilise notamment les limnimètres à bulles pour mesurer la hauteur de l’eau dans les piscines de refroidissement du combustible irradié et de l’eau ordinaire dans les cuves de réglage zonal liquide. 


6.Effet de la température sur la mesure du niveau



Les mesures du niveau à partir de la pression différentielle, ΔP, sont par définition affectées par la température et la pression. On se souviendra que la pression à la base de la colonne de liquide, P, dépend directement de sa hauteur, H, et de la masse volumique du liquide, ρ. On peur récrire cette
relation,   P ∝ Hρ , en fonction de la hauteur :

Or, la masse volumique d’un liquide ou d’un gaz est inversement proportionnelle à sa température :
Donc pour une quantité fixe de liquide dans une cuve, la pression, P, exercée à la base sera constante, mais H, la hauteur variera directement avec la température : 
H ∝ T
Considérons le scénario illustré à la figure 9(a) : une quantité donnée liquide est, à la figure 9(b), soumise une température plus élevée : 


Température basse du procédé 

Température haute du procédé 

Puisque la quantité de liquide — sa masse — ne varie pas en passant de (a) à (b), la pression exercée à la base de la cuve n’aura pas changé. Donc, l’indication de la hauteur du liquide restera la même. Toutefois, puisque le volume qu’occupe le liquide a augmenté, sa hauteur s’est accrue. 

Le scénario de la figure 9 est fréquent en contexte industriel. Supposons que l’on ait étalonné un transmetteur de niveau pour qu’il donne une indication exacte à 75 ºC.  

Si la température du procédé monte à 90 ºC, comme à la figure 9(b), le niveau réel sera supérieur au niveau indiqué.
Une telle erreur due à la température est également possible dans les appareil dotés d’une conduite noyée (figure 10)
. Effet de la température sur un appareil à conduite noyée 


Si les liquides dans les conduites de référence et de mesure sont toutes deux à la température d’étalonnage du transmetteur de niveau, l’appareil donnera une indication exacte du niveau. Cependant, si la température du procédé augmente, la hauteur du liquide augmentera, comme nous l’avonsvu plus haut, sans que ne change l’indication du niveau. 
D’autres erreurs sont possibles si les températures du liquide dans la conduite de référence et la conduite de mesure sont différentes. L’indication du niveau présentera une erreur positive (indication plus haute que la réalité) si la température de la conduite de référence (noyée) dépasse celle de la conduite de mesure (du procédé). 

Par exemple, considérons les variations de la température de l’environnement d’une cuve de liquide dotée d’une conduite noyée. Si la température tombe et que la conduite noyée refroidit, la masse volumique du liquide qu’elle contient augmentera. La température du liquide dans la cuve en variera pas (à cause de son grand volume et son contact avec le procédé). Conséquemment, la pression augmentera dans la conduite de référence et l’appareil indiquera un niveau plus bas. Si un tel refroidissement affecte la mesure du niveau dans le générateur de vapeur, l’indication trop basse de niveau dans le système d’arrêt pourrait déclencher inutilement une chute de puissance contrôlée. Toutefois on peut dans ces situations, éviter les chutes de puissance contrôlées dues à des niveaux trop élevés. Dans une situation extrême, la conduite noyée pourrait geler, rendant inopérant le système de mesure. On peut facilement éviter cette éventualité en enroulant la conduite avec un fil chauffant (Figure 5). 

L’augmentation de la température, la présence de bulles de gaz ou de vapeur, ou encore l’assèchement de la conduite noyée peut provoquer une indication faussement haute du niveau. 

Une indication artificiellement élevée du niveau, alors que le niveau réel est dangereusement bas, pourrait empêcher l’activation d’un système de sécurité ajusté pour réagir à une valeur basse d’un paramètre d’arrêt. 
Le niveau réel pourrait descendre si bas qu’il provoquerait l’apparition de cavitation dans les pompes aspirant le liquide du réservoir ou la diffusion de gaz dans les pompes; deux éventualités menant à leur blocage, par le gaz, et la réduction ou la fin de leur débit. Si les pompes sont reliés à un système de sécurité comme le système d’injection dans le cœur du réacteur ou un système connexe comme le circuit caloporteur primaire, cette erreur de lecture pourrait conduire à une dégradation du système de protection et augmenter la probabilité d’un endommagement du combustible.   


Tout comme la température, la pression affecte les indications des systèmes limnimétriques basés sur la pression différentielle, ΔP. Toutefois ces effets sont moindres que ceux présentés à la sous-section précédente.
On se rappellera que la pression à la base d’une colonne de liquide, PL, dépend directement de sa hauteur, H, et de sa masse volumique ρ. On peut récrire cette relation,   PL ∝  ρ H  en fonction de la hauteur :
La masse volumique d’un liquide ou d’un gaz est directement proportionnelle à la pression du procédé, ou pression de système, Ps : 
Donc, pour une quantité donnée de liquide, la pression PL (pression du liquide) exercée à la base de la cuve demeurera constante, mais sa hauteur variera en fonction inverse de la température du procédé ou du système :  
Puisque la plupart des liquides sont quasi incompressibles, la pression du procédé n’affectera pas le niveau, sauf s’il y a une grande quantité de vapeur. 

8.Les erreurs de limimétrie


Les techniques de mesures décrites dans ce module sont indirectes.
L’indication du niveau repose sur la pression exercée par la hauteur du liquide contenu dans une cuve sur une cellule de pression différentielle. 

Les problèmes provenant de l’environnement ont un impact considérable sur la précision de ces mesures indirectes. 

Branchement
Ceci peut paraître amusant, mais une source d’erreurs fréquentes est l’inversion des conduites de détection vers la cellule de pression différentielle. 
Cette faute est plus facile à commettre lorsque la pression de fonctionnement est élevée relativement à la pression hydrostatique due à lhauteur du liquide, notamment pour les cuves fermées. 
Si la cellule de pression différentielle n’est pas correctement branchée, l’indication de niveau descendra quand la hauteur du liquide s’élèvera.


Surpressions
Les cellules de pression différentielles sont munis d’une claviature à trois vannes pour éviter les surpression et faciliter l’enlèvement des cellules pour l’entretien. Une utilisation incorrecte peut provoquer une surpression accidentelle de la cellule. Dans certains cas, elle se brisera sur le coup, dans d’autres, le diaphragme interne peut être tordu. Selon la nature de la défaillance, la mesure pourrait être ou trop haute ou trop basse.
Notez que si l’on ouvre accidentellement la vanne d’équilibrage de la claviature, l’indication du niveau tombera à zéro puisque la pression sera égale sur les deux moitiés de la cellule.


Conduites de détection
Les conduites de détections sont les veines et les artères des cellules de pression différentielle, elles doivent remplir correctement leurs fonctions.
Nous terminons cette section en présentant les problèmes les plus fréquents.


Obstruction des conduites de détection
Les conduites de détection de petit calibre sont sujettes au blocage par des particules en suspension, ce qui conduit à des mesures imprécises. La « paresse » inopinée de l’appareil à une variation prévu de niveau, est
symptomatique de ce problème. Il est nécessaire de purger et de rincer périodiquement les conduites de détection.

  
La purge des conduites de détection
On doit, tel que mentionné ci-dessus, purger les conduites pour retirer le débris ou les particules qui peuvent se déposer au fond de la cuve et dans 

les conduites. Qui plus est, dans les cuves fermées avec des conduites sèches, on doit éliminer périodiquement le condensat des gaz et vapeurs pour empêcher l’apparition d’une pression due à ces liquides dans la conduite basse pression. Négliger cet entretien résultera en une indication  du niveau trop basse par rapport à la réalité. Lors des purges, on devra suivre les procédures à la lettre pour protéger les cellules de pression différentielle de la surpression. Une telle éventualité pourrait survenir si, avant de procéder, on ne ferme pas les vannes d’isolation et l’on ouvre pas la vanne d’équilibrage. 

Une perte de liquide dans une conduite noyée (de référence), causée par une fuite ou une purge, provoquera une indication anormalement élevée du niveau. 
Une fuite dans la conduite du procédé (de mesure) donnera une indication anormalement basse du niveau.

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