Cette note d’application explique comment mesurer le niveau d’un liquide à l’intérieur de contenants ou de tuyaux à l’aide d’une méthode non invasive de mesure directe du niveau. Elle explique également comment détecter la présence ou l’absence de liquide à l’intérieur d’un contenant scellé.
Méthodes de mesure d’un niveau de liquide
La méthode la plus simple pour mesurer le niveau d’un liquide consiste à effectuer une observation directe à l’aide d’une baguette ou d’une jauge flottante graduée. Toutefois, si le liquide à mesurer se trouve dans un contenant scellé ou s’il ne peut être exposé à l’air, cette méthode ne peut être utilisée. La mesure par ultrasons du niveau de liquide constitue souvent la solution lorsqu’il s’agit de mesurer rapidement, efficacement et automatiquement le niveau de liquide d’un grand nombre de contenants soumis à un processus de remplissage.
La mesure par ultrasons est aussi utile dans les situations suivantes :
- Mesure du niveau de fluides corrosifs ou réactifs dans le cadre d’applications de traitement chimique où les contenants ne peuvent être ouverts pour des raisons de sécurité, et où la nature du produit chimique ou du traitement empêche l’installation d’une jauge flottante interne
- Détection de la présence de fluide stagnant dans un tuyau, particulièrement si ce dernier doit être ouvert ou coupé durant le processus d’entretien
- Vérification sur la chaîne de montage des niveaux de fluide de toute une variété de composants automobiles pour lesquels la mesure doit être rapide, fiable et non destructive : réservoirs à essence, systèmes de transmission, carters d’huile à moteur et différentiels. Dans certains cas, les mesureurs sont utilisés de concert avec un manipulateur automatisé qui positionne la sonde sur les contenants pleins pour en mesurer le niveau sur la ligne de production. Le résultat enregistré par le mesureur actionne un vaporisateur de peinture qui marque les contenants dont le niveau de remplissage est hors tolérance.
- Mesure de la couche d’huile flottant sur la couche d’eau dans un système de traitement du pétrole. En principe, il est possible de mesurer individuellement l’épaisseur de deux couches de liquide superposées ayant une impédance acoustique différente.
Généralement, on classe les applications de mesure des niveaux de liquide en deux catégories : mesure du niveau réel du liquide (profondeur ou hauteur), et détection de la présence ou de l’absence de liquide à un point donné. Ces deux types d’application sont décrits distinctement ci-dessous.
Équipement utilisé pour les applications de mesure directe du niveau d’un liquide
Généralement, le niveau de liquide est calculé à l’aide de techniques de mesure d’épaisseur par écho d’impulsion au moyen de mesureurs d’épaisseur par ultrasons, ou d’appareils de recherche de défauts par ultrasons lorsque de grandes étendues sont nécessaires. Les sondes sont choisies selon les exigences particulières de l’application, mais en général, il faut utiliser des sondes de 1 MHz ou de 2,25 MHz. On recommande l’utilisation de l’un des appareils ci-dessous :
- Mesureurs d’épaisseur 39DL PLUS™ et 45MG avec l’option logicielle pour sonde monoélément – Ces appareils peuvent être configurés pour mesurer des niveaux de liquide. Ils sont dotés d’alarmes haute et basse (se déclenchant lors du dépassement des valeurs de référence supérieures et inférieures, respectivement) et d’une mémoire de données pour l’enregistrement et la documentation, en plus d’un affichage numérique. L’étendue possible des mesures peut généralement atteindre 125 mm (5 po).
- Appareils de recherche de défauts EPOCH 650™ et EPOCH 6LT – Ces appareils peuvent mesurer les liquides sur une très longue profondeur (potentiellement plus de 1,25 m [4 pi]).
L’étendue et la précision de ces appareils sont déterminées par les conditions d’inspection et doivent être évaluées au cas par cas. Un niveau de précision de l’ordre de ±2,5 mm (±0,1 po) peut être atteint dans la plupart des liquides.
Procédure pour prendre des mesures directes des niveaux de liquide
Le niveau de liquide se mesure en plaquant la sonde contre le fond du contenant sur lequel du couplant a été appliqué. Le mesureur d’épaisseur transmet une impulsion électrique à la sonde; celle-ci génère un bref signal ultrasonore qui voyage au travers de la paroi du contenant jusque dans le liquide. Le signal se déplace dans le liquide jusqu’à ce qu’il en atteigne la surface où il est réfléchi, et puis refait le trajet inverse au travers du liquide pour revenir vers la sonde.
L’écho provenant de la surface est calculé précisément à partir d’un temps zéro électronique qui déduit la durée de transit au travers de la paroi du contenant. Le trajet aller-retour du signal est converti pour correspondre au niveau de liquide, selon le calcul électronique suivant :
h = vt/2
Où :
h = le niveau de liquide
v = la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans le liquide
t = le temps de transit aller-retour
Le niveau de liquide s’affiche sur l’écran numérique. Il faut tenir compte de certains des facteurs énumérés ci-dessous pour assurer la précision de cette technique de mesure.
- Le matériau de fabrication du contenant et l’épaisseur de la paroi – Ce sont les premiers facteurs à considérer relativement aux propriétés et au niveau du liquide. Les parois épaisses des contenants en acier peuvent limiter considérablement le niveau minimum qui peut être mesuré en raison des effets de réverbération de la paroi. Les contenants en plastique ont des propriétés acoustiques semblables à beaucoup de liquides et offrent, par conséquent, une capacité de transfert sonore efficace entre la sonde et le liquide, ce qui réduit l’effet de réverbération.
- Les conditions de surface – Les surfaces piquées ou corrodées peuvent causer une distorsion de la transmission de l’impulsion sonore et complexifier ou empêcher la mesure.
- La courbure du contenant – La forte courbure de certains contenants peut causer une distorsion de l’impulsion sonore ou un mauvais couplage de la sonde avec la surface, ce qui peut nuire à la fiabilité des mesures.
- Les obstacles sur le parcours – Le parcours sonore entre le fond du contenant et la surface du liquide doit être exempt d’obstacles physiques, par exemple une cloison antiroulis ou un tuyau de remplissage.
- Les propriétés acoustiques du liquide – Le niveau d’atténuation ultrasonore du liquide détermine souvent le niveau maximal de la mesure. Généralement, les liquides à viscosité élevée, ou ayant une grande concentration de solide, sont ceux qui atténuent davantage les ultrasons.
- Effets de la température – Les changements de température du liquide peuvent modifient la vitesse de propagation des ondes ultrasonores. Si l’appareil n’est pas étalonné pour compenser ces changements, la mesure sera inexacte.
- Bulles de gaz – Les bulles d’air ou d’autres gaz causent une diffusion des ondes ultrasonores qui peut empêcher les mesures ou en entraîner de fausses.
- Mouvement à la surface – Généralement, pour obtenir un écho mesurable, la surface du liquide doit demeurer calme.
- Composition du liquide – Pour obtenir des mesures précises, la composition et la température du liquide doivent être uniformes.
- Couplage de la sonde avec la paroi – Il faut s’assurer d’un bon couplage entre la sonde et la paroi du contenant pour permettre la transmission de l’impulsion sonore au travers de la paroi jusque dans le liquide.
Équipement utilisé pour la détection de présence ou d’absence de liquide
On recommande l’utilisation d’un appareil de recherche de défauts comme ceux de la gamme EPOCH, qui sont tous adaptés pour détecter par écho d’impulsion la présence ou l’absence de liquide. Le choix de la sonde dépendra du type de liquide et de la longueur du parcours sonore.
Procédure pour détecter la présence ou l’absence de liquide
Cette configuration d’inspection particulière dépend de l’application. Généralement, on recommande une simple inspection par écho d’impulsion lorsque le contenant ou le tuyau présente une forme permettant la transmission de l’impulsion ultrasonore dans toute la colonne de liquide et la réception d’un écho de fond. La présence ou l’absence de liquide peut être signalée par des alarmes sonores ou visuelles. En mode par écho d’impulsion, le signal transmis par la sonde est envoyé au travers de la paroi du contenant. S’il y a présence de liquide au point de mesure, une partie de l’énergie sonore traversera le liquide, sera réfléchie par la paroi de fond, et puis reviendra vers la sonde en traversant de nouveau le liquide et la paroi du contenant. S’il n’y a pas de liquide, il n’y aura aucun écho de fond, mais certains échos seront générés par la paroi du contenant sur laquelle la sonde est en contact. Pour ce type d’inspection, il faut généralement utiliser des sondes de contact à basse fréquence. Dans l’image de droite, une sonde de contact de 2,25 MHz est couplée à la paroi d’un contenant d’acier d’une largeur approximative de 45 mm (18 po). Les échos du côté gauche de l’écran représentent les nombreuses réverbérations provenant de la paroi du contenant et on ne voit aucun écho dans la porte en rouge. |
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En réglant la porte à l’endroit où l’écho provenant de la paroi de fond est attendu, l’inspecteur peut contrôler le niveau du liquide. S’il y a du liquide, un écho sera détecté à l’intérieur de la porte, comme le montre l’image de droite.
Dans certains cas, la méthode par écho d’impulsion ne peut être utilisée. Lorsque le parcours sonore entre l’écho de surface et de fond n’est pas net, le niveau de liquide doit être vérifié à l’aide de la méthode par réverbération. Cette méthode requiert une surface lisse et propre pour garantir le couplage uniforme de la sonde. Selon cette méthode, l’appareil relève les modifications des échos provenant de la paroi avec laquelle la sonde est en contact. L’effet s’apparente à celui obtenu d’une cloche qui, dans un cas, sonne lorsqu’elle est suspendue dans l’air, et dans l’autre, lorsqu’elle est immergée dans le liquide. Le liquide atténue l’énergie sonore beaucoup plus rapidement que l’air. De la même façon, l’appareil « écoute » le type d’écho obtenu et dresse un portrait qui permet à l’inspecteur de déterminer la présence ou l’absence de liquide à un point donnée. |
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Généralement, l’inspection est effectuée à l’aide d’une sonde à ligne à retard. Les images ci-dessous représentent un test de réverbération typique réalisé sur un contenant d’acier au moyen d’une sonde à ligne à retard V206-RB de 5 MHz. Dans l’image de gauche, la forme d’onde représente les échos de réverbération provenant de la paroi d’un contenant rempli de liquide. La fonction DAC (correction de l’amplitude en fonction de la distance) a été utilisée pour tracer l’enveloppe du signal. Dans l’image de droite, la forme d’onde représente les échos de plus grande amplitude provenant de la paroi d’un contenant vide où l’effet d’amortissement du liquide à l’intérieur du contenant ne constitue plus un facteur. En déplaçant la sonde à la verticale sur la paroi latérale du contenant, l’inspecteur cherche l’endroit où le tracé de la forme d’onde change pour déterminer l’endroit où se trouve la surface du liquide.
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