Mesure de niveau dans les réservoirs sous pression : LPG et ammoniac

La mesure de niveau dans les réservoirs sous pression consiste à suivre en continu l’interface gaz-liquide dans une enceinte maintenue au-dessus de la pression atmosphérique, généralement au moyen d’un transmetteur de niveau radar sans contact à 80 GHz. Elle concerne le LPG, l’ammoniac liquide et l’oxygène liquide, pour lesquels la permittivité de la vapeur, les matériaux adaptés à la cryogénie et l’homologation pour atmosphères explosibles déterminent les limites d’utilisation. Les étendues de mesure typiques sont de 0-12 m, jusqu’à 25 bar g.

Pourquoi la mesure de niveau sous pression nécessite une compensation de la vapeur

Un transmetteur de niveau radar FMCW mesure le temps de propagation d’un balayage micro-ondes dans l’espace au-dessus du liquide et calcule la distance selon d = c*t/2. Dans l’air sec à 20 °C, la permittivité relative est d’environ 1.0006 : c diffère donc de moins de 0.03 % de sa valeur dans le vide. Lors d’une mesure de niveau dans un réservoir sous pression, cet espace contient de la vapeur saturée plutôt que de l’air, et la vitesse de l’onde diminue à c/sqrt(er). Un transmetteur qui utilise encore la valeur dans le vide surestime la distance d’un facteur sqrt(er), soit un excès égal à (sqrt(er) - 1) de la distance réelle.

Le niveau étant égal à la distance à vide E moins la distance mesurée, une distance surestimée donne un niveau trop bas du même écart. Pour un espace vapeur de 8.000 m avec er = 1.021, la distance affichée devient 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m : le niveau indiqué se situe donc 83.6 mm sous l’interface réelle. Le biais augmente avec la hauteur de l’espace vapeur et atteint ainsi son maximum près de la vidange complète, là où sont réglées les alarmes de niveau bas. Le radar FMCW sans contact et le radar à ondes guidées sont tous deux concernés, puisque l’onde traverse la vapeur sous pression. La correction peut être assurée par la saisie d’une valeur fixe de er, par un réflecteur de référence à une distance connue ou par une sonde de référence dans un tube de tranquillisation.

Comment une faible variation de permittivité se traduit en millimètres

La vitesse de l’onde dans l’espace vapeur est v = c0/sqrt(er), avec c0 = 299 792 458 m/s. Le transmetteur mesure le temps de retour de l’écho et le multiplie par c0/2 : la distance indiquée est donc d_read = d_true*sqrt(er), et l’erreur de niveau vaut dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Exemple de calcul fondé sur des valeurs de site supposées (calcul illustratif, et non données mesurées sur le terrain) : une sphère de LPG présente un espace vapeur de 8.000 m, contenant de la vapeur de propane saturée à 8 bar g et 20 °C, avec une valeur supposée de er = 1.021. On obtient sqrt(1.021) = 1.010445 et dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m, soit -83.6 mm. À 8 bar g avec er = 1.015, le biais est de -59.8 mm ; à 12 bar g avec er = 1.030, il atteint -119.1 mm. Pour la mesure de niveau sous pression, ce calcul suppose une pression, une température et une composition de vapeur stables ; une variation de pression pendant le remplissage invalide une valeur fixe unique de er et impose une correction fondée sur une référence.

Il s’agit de valeurs de référence typiques utilisées en ingénierie pour la vapeur saturée, et non de spécifications de produit. Avant de saisir une valeur de compensation, confirmez er pour la composition et la pression réelles du gaz à l’aide de la fiche à jour de ses propriétés.

Quand exclure les ultrasons pour les enceintes fermées

Il ne faut pas spécifier de transmetteur de niveau à ultrasons pour un réservoir sous pression lorsque la composition de la vapeur, la pression ou la température peuvent varier pendant le cycle de remplissage. L’appareil mesure le temps de propagation d’une onde mécanique dont la vitesse dépend de la masse moléculaire du gaz, de la pression et de la température. Dans un réservoir d’eau à l’atmosphère, une simple compensation de température suffit ; dans l’espace vapeur de LPG ou d’ammoniac, il n’existe pas de vitesse du son unique, car la densité et la composition du gaz évoluent avec la pression de saturation. Le trajet acoustique introduit alors une composante d’erreur non maîtrisée, bien supérieure à la précision de ±2 mm à ±10 mm généralement requise pour la prévention du débordement.

Deux autres limites rendent cette méthode inutilisable. Le son ne se propage pas dans le vide : une enceinte pouvant être mise sous vide perd donc totalement son écho. Une vapeur saturée dense, de la mousse ou des gouttelettes de condensation atténuent l’impulsion jusqu’à faire disparaître le signal de retour alors que du liquide est présent. Dans ces conditions, il convient de choisir un transmetteur de niveau radar avec la correction de vapeur décrite ci-dessus, plutôt qu’un appareil à ultrasons plus performant.

Ce que le service cryogénique impose aux matériaux en contact avec le fluide

L’oxygène liquide est stocké vers -183 °C à une pression proche de la pression atmosphérique, tandis que l’ammoniac liquide ou le LPG peuvent se trouver vers -40 °C en stockage réfrigéré. Les aciers inoxydables austénitiques conservent leur ténacité à ces températures ; les aciers au carbone ordinaires et de nombreux élastomères deviennent fragiles. L’antenne, le joint d’étanchéité du raccord process, le joint de bride et tout revêtement doivent chacun être qualifiés pour la température minimale du métal, et pas seulement pour la température normale de fonctionnement, car une mise en froid ou une décharge de sécurité peuvent amener l’ensemble en dessous de son point de conception.

Le service oxygène impose aussi une exigence de propreté : les pièces en contact avec le fluide doivent être exemptes d’huile et de graisse, et leur nettoyage doit être documenté. Une extension thermique maintient le boîtier électronique hors de la zone froide ; sa longueur doit être compatible avec la plage de température ambiante certifiée. Un boîtier prévu jusqu’à -40 °C ne peut pas être monté sur une tubulure à -183 °C. La condensation et le givre sur la face de l’antenne sont fréquents pendant la mise en froid ; on spécifie donc généralement une purge ou une antenne étanche munie d’un joint dont la tenue à basse température a été vérifiée. Avant l’installation, vérifiez toutes les nuances de matériaux en contact avec le fluide, la composition du joint et la plage ambiante certifiée figurant sur la plaque signalétique de l’appareil livré.

Comment ménager une marge de mesure exploitable au-dessus du liquide

Pour une mesure de niveau sous pression, supposons une distance à vide E de 12.000 m entre la face de bride et le fond du réservoir. Une antenne à lentille affleurante de 80 GHz présente une distance de blocage de 0.10-0.20 m ; on retient ici 0.400 m comme hypothèse prudente avec une tubulure prolongée, à vérifier dans la fiche technique à jour. Le transmetteur ne peut donc pas indiquer un niveau supérieur à 11.600 m. Si le seuil de déclenchement très haut du procédé est à 11.200 m et que la garde libre requise est de 0.300 m, la marge entre ce seuil et le plafond de mesure est de 0.400 m : l’exigence est satisfaite. Une tubulure de 0.600 m réduirait cette marge à 0.200 m, ce qui rendrait la vérification non conforme.

L’expression doit figurer sur la fiche de commande : marge supérieure exploitable = E - distance de blocage - niveau maximal de service. Sur une enceinte de 12.000 m, une marge de 0.400 m représente 3.3 % de l’étendue de mesure ; sur une enceinte de moins de 2.000 m, la même distance de blocage consomme 20 % de l’étendue.

• Relevez E à partir de la face de bride, et non du toit.
• Indiquez la distance de blocage correspondant à l’antenne et à la tubulure commandées, et non un minimum de catalogue.
• Vérifiez à nouveau la marge après toute modification d’adaptateur, d’extension ou d’isolation.
• Maintenez le seuil de déclenchement très haut en dessous du plafond de mesure, sans le faire coïncider avec celui-ci.

Les correspondances à vérifier entre le certificat et la configuration livrée

Pour une mesure de niveau sous pression, comparez le certificat à la configuration commandée, et non à la brochure. Le groupe de gaz, la classe de température, le niveau de protection de l’équipement et la plage ambiante certifiée doivent figurer sur la plaque signalétique livrée et correspondre au classement de la zone dangereuse du réservoir. Un appareil homologué pour une température ambiante de -20 °C à +60 °C ne peut pas être installé là où son boîtier est exposé à -40 °C, même si le joint du raccord process supporte une température plus basse. Tout adaptateur, dispositif de purge, réchauffeur ou afficheur déporté ajouté ultérieurement doit être couvert par l’homologation.

Recoupez chaque ligne avec la fiche technique à jour et la plaque signalétique ; demandez toute valeur manquante avant la mise à disposition. La page produit de chaque appareil radar précise quelles configurations bénéficient de chaque certificat, et un article technique consacré aux marquages d’homologation en explique la notation.

Questions fréquentes

Q1. La mesure de niveau sous pression nécessite-t-elle une compensation de la vapeur sur toutes les enceintes ?

Non. Elle n’est nécessaire que si la permittivité de l’espace vapeur entraîne un écart supérieur à votre limite d’erreur. De l’air à 1 bar sur 2.000 m donne environ 0.6 mm, un écart négligeable ; de la vapeur saturée de LPG à 8 bar g sur 8.000 m produit environ 84 mm. Vérifiez er à l’aide de données à jour sur le gaz.

Q2. Un transmetteur à ultrasons peut-il remplacer le radar sur un réservoir d’ammoniac fermé ?

Non, lorsque la pression ou la composition de la vapeur varie pendant le cycle. Le calcul par ultrasons repose sur une vitesse du son unique ; dans l’espace vapeur d’un réservoir d’ammoniac fermé, cette vitesse varie avec la pression, la température et la densité du gaz. Le vide supprime l’écho et une vapeur dense peut l’absorber. Utilisez un radar avec compensation de la vapeur.

Q3. Quel contrôle des matériaux à basse température est le plus souvent oublié ?

Celui du joint de bride et du joint d’étanchéité du raccord process, plutôt que celui de l’antenne. Les nuances de l’antenne sont spécifiées pour le service cryogénique, mais un joint élastomère prévu seulement jusqu’à -20 °C durcira et fuira à -40 °C. Vérifiez la température minimale du métal de chaque pièce en contact avec le fluide, la plage ambiante du boîtier et le procès-verbal attestant un nettoyage sans huile.

Q4. Quelle marge supérieure faut-il prévoir à la commande au-dessus du seuil de déclenchement très haut ?

Une marge d’au moins 0.300 m est un point de départ courant, mais elle doit être déterminée à partir de la distance de blocage et de la géométrie de l’enceinte. Avec une distance à vide de 12.000 m et une distance de blocage de 0.400 m, le plafond de mesure est à 11.600 m ; un déclenchement à 11.200 m laisse 0.400 m de marge. Refaites le calcul après toute modification de tubulure.

Q5. Le radar à ondes guidées évite-t-il le problème de permittivité de la vapeur ?

Non. L’impulsion traverse toujours l’espace vapeur le long de la sonde : sa vitesse diminue donc lorsque er augmente, et le même facteur sqrt(er) s’applique, bien que la géométrie diffère de celle d’un appareil FMCW en espace libre. Une sonde de référence ou la saisie d’une valeur fixe de er reste nécessaire en service haute pression.

Q6. À quoi le certificat d’homologation doit-il correspondre sur l’appareil livré ?

À la configuration commandée et au classement du site. Comparez le mode de protection, le groupe de gaz, la classe de température, le niveau de protection de l’équipement et la plage ambiante certifiée au plan de classement des zones dangereuses, puis vérifiez que chacun figure sur la plaque signalétique. Tout adaptateur, dispositif de purge ou réchauffeur ajouté ultérieurement doit être couvert par l’homologation.

SYNTHÈSE

La mesure de niveau sous pression repose sur trois vérifications : corriger la permittivité de la vapeur, confirmer l’aptitude des matériaux en contact avec le fluide aux basses températures et ménager une marge de mesure exploitable. L’exemple de calcul montre qu’une valeur supposée de er = 1.021 sur un espace vapeur de 8.000 m décale le niveau indiqué de 83.6 mm, bien au-delà des ±2 mm à ±10 mm généralement requis pour la prévention du débordement. L’étape suivante consiste à constituer la fiche de réception et à vérifier chaque ligne à l’aide de la fiche technique à jour avant la mise à disposition.