Sonde capacitive niveau-métrique de liquides non miscibles

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1 Sonde capacitive niveau-métrique de liquides non miscibles Abdennaceur Kachouri, Ali Mehdi et Mounir Samet L INNORPI No du dépôt SN07303 août Objectif Le but de la sonde capacitive niveau-métrique de liquides non miscibles est de mesurer en permanence les stocks de carburant dans les citernes. Grâce à un système électronique basé sur un microcontrôleur, le système permet d afficher tout changement de niveau en vue de connaître les ajouts ou retraits des citernes. En outre, ce système doit indiquer la quantité d eau au fond de la citerne. 2. Description La sonde capacitive permet de mesurer simultanément les niveaux de deux liquides non miscibles. Cette sonde est équivalente à deux condensateurs correspondant respectivement aux niveaux de chaque liquide, elle est conçue en deux parties (figure 1). - La première partie permet de mesurer de pression au fond de la citerne (pression hydrostatique) par une colonne d eau. La tige et la paroi cylindrique de la sonde forment un condensateur ayant pour diélectrique l eau. La variation de la dénivellation entraîne la variation de la capacité. Ceci permet de déduire la hauteur du premier liquide. - La deuxième partie est conçue comme une sonde capacitive conventionnelle permet de mesurer la hauteur du deuxième liquide. Figure 1 : Schéma équivalent de la sonde. 1

2 La mesure de ces deux condensateurs nous permet de calculer le niveau respectif de chaque liquide. 3. Principe de fonctionnement 3.1. Principe du premier condensateur La sonde que nous avons conçue va permettre de mesurer la pression au fond de la citerne (pression hydrostatique) par une colonne d eau. La pression peut être mesurée par plusieurs moyens mais l absence d ouverture au fond de la citerne ne permet pas l utilisation des capteurs conventionnels. Le principe que nous avons adopté est la mesure de la pression par une colonne d eau dont le schéma de principe est illustré par la figure 2 (a). Nous rappelons que la pression de 1 bar entraîne une dénivellation de 10 m ; cependant, l ordre des grandeurs n est pas le bar mais millibar. (a) (b) Figure 2 : Manomètre : (a) principe colonne d eau ; (b) principe colonne d eau pression fond citerne. Ce principe d évaluation de niveau est une mesure indirecte ; en effet on ne mesure pas directement la hauteur H ou un déplacement mais la pression hydrostatique exercée par la colonne du liquide contenu dans le réservoir. Si nous considérons un vase contenant un liquide de densité d, la pression exercée par le liquide sur une ouverture quelconque placée au fond est donnée par la relation : P = ρ.g.h ; avec h est la distance séparant le fond du vase à la surface libre du liquide, ρ est la masse volumique du produit et g est l accélération de la pesanteur. En plongeant un tube au fond du vase comme indiqué à la figure 2 (b), il est possible de mesurer la pression hydrostatique. 2

3 La variation de h entraîne une variation de la dénivellation. Si on place une tige métallique dans le tube, on forme un condensateur ayant pour armatures la tige et la paroi cylindrique du tube, le diélectrique étant l eau. La variation de la dénivellation entraîne la variation de la capacité, comme le montre la figure 3 ; ceci permet de déduire la hauteur du premier liquide. h e h o Figure 3 : Sonde capacitive mesurant la pression hydrostatique au fond de la cuve. Le calcul de la capacité dépend de la partie immergée dans le liquide C o et de la partie ayant pour diélectrique l air C e ; la capacité totale est : C = C e + C o. Avec : C e = ε e. 2π.h e / ln(r 1 /r 2 ) ε e = 1 * 8, C o = ε o. 2π.h o / ln(r 1 /r 2 ) ε o = 80 * 8, r 1 est le rayon intérieur du cylindre r 2 le rayon de la tige. Pour une citerne donnée, il faut relever la courbe d étalonnage afin de déterminer C e. Un exemple de mesure est effectué : Pour une citerne vide C e = 1 * 8, π.0,45 / ln(22/1) Ce = 8 pf Pour une citerne pleine C e = 1 * 8, π.0,05 / ln(22/1) Ce = 1 pf On trace la courbe d étalonnage de C e en fonction de la hauteur du liquide dans la citerne, on remarque que la variation de C en fonction de la hauteur est linéaire (figure 4). : Ce(pF) 8 4 3

4 1 H (cm) Figure 4 : Capacité d erreur en fonction de la hauteur Pour effectuer la correction nécessaire, on doit d abord déterminer approximativement H et évaluer C e à partir de la courbe de la figure 4. Par la suite, on retranche C e de C, pour déterminer la hauteur h o. Les autres facteurs d erreur ont très peut d influence si on considère que les citernes sont enterrées et que la variation de la densité du produit est négligeable Principe du deuxième condensateur La deuxième partie étant conçue comme une sonde capacitive conventionnelle permet de mesurer la hauteur du deuxième liquide. Le principe de mesure est illustré dans la figure 5. Figure 5 : Sonde capacitive à eau. La capacité totale est donnée par : C 2 = C e + C o 4. Conception de la sonde La sonde est constituée en deux parties. La première partie de la sonde mesure la pression hydrostatique au fond de la citerne, il s'agit d'une mesure indirecte permettant de déduire le niveau du premier produit. La deuxième partie est conçue comme une sonde capacitive conventionnelle effectuant une mesure directe. La variation de la hauteur du liquide dans la capacité entraîne une variation de la capacité (ε = 80). 4

5 La sonde est fabriquée en acier inoxydable capable de résister aux attaques de l eau et des hydrocarbures. Les pièces usinées isolantes sont fabriquées en téflon. Le dessin d ensemble est donné à la figure 6. La photo de la tête de la sonde et le banc de test de mesure sont illustrés par la figures 7. Figure 6: Vue en coupe de la sonde. 5

6 Figure 7 : Tête de la sonde et Banc de test de mesure. 5. Essai du prototype Les résultats d essais sont fournis au tableau 1. Tableau 1 : Capacité en fonction de la hauteur. H (cm) C (pf) H (cm) C(pF)

7 D après ce tableau de mesure, on note qu une variation de niveau de 35 cm a entraîné une variation du condensateur de 41 pf ; ce qui correspond à une sensibilité de 1.17 pf/cm permettrant une bonne précision de la mesure du niveau. La courbe de la figure 8 montre la variation de la capacité en fonction de la hauteur, on note que cette variation est presque linéaire. L erreur de linéarité provient des capacités parasites. Pour empêcher la mise en parallèle de capacités parasites, il est nécessaire d isoler le cylindre sur la face extérieure par rapport au produit (diélectrique). C=f(h) Capacité(pF Série Hauteur (cm) Figure 8 : Capacité en fonction de la hauteur. 6. Réalisation d un banc d essai pour la sonde Pour pouvoir effectuer les différents essais de la sonde, il est nécessaire de disposer d une citerne et de pouvoir effectuer la vidange et le remplissage correspondant relatif à un retrait au rajout de produit. 7

8 La sonde est équivalente à un condensateur. La variation du niveau de carburant dans la citerne entraîne une variation linéaire de la valeur de la capacité. Pour pouvoir mesurer le condensateur, on peut utiliser un conditionneur du signal réalisé par un multivibrateur astable. La variation de la valeur de la capacité entraîne une variation de la période du signal de sortie Schéma final du conditionneur La figure 9 montre le schéma du multivibrateur astable à base du circuit 555. Pour augmenter la valeur de la capacité, nous avons utilisé l effet Miller. C M =C(1 A) C: étant la capacité de notre sonde. V CC R A R B R L v s C M Figure 9 : Multivibrateur astable Résultats obtenus avec le montage conditionneur Les résultats d essais sont fournis au tableau 2. Tableau 2 : Capacité en fonction de la hauteur en utilisant l effet Miller Hauteur en Cm Capacité en pf Période du signal (μs)

9 Ces mesures ont été effectuées sur le banc d essai à l aide d un oscilloscope et un capacimètre numérique de précision. La variation de la capacité en fonction de la hauteur est quasilinéaire. 7. Conclusion Nous avons présenté la conception et la réalisation de notre sonde permettant la mesure du volume de carburant dans une citerne. Les essais réalisés en laboratoire sur banc d essai et sur site sont concluants et présentent une bonne précision. Toutefois l étalonnage du conditionneur de la sonde est nécessaire pour chaque type de forme de citerne et de produit. L utilisation de l eau comme un liquide tampon permet l amplification de la valeur de la capacité puisque l eau présente une permittivité ε = 80, tandis que les produits hydrocarbures présentent une permittivité ε = 2. Cette capacité est introduite dans un montage astable dont la période est proportionnelle à la capacité. Pour augmenter l effet capacitif, nous avons utilisé l effet Miller. La sonde a été conçue en respectant la norme SENELEC EEx ia IIBT4. Toutes les précautions d étanchéité d isolement et limitation de tension et courant ont été prises en considération. Grâce à son prix réduit et son efficacité, ce système a des atouts pour concurrencer les produits Mesure de niveau par ondes acoustiques ou par ultrasons. 9