L?innovation majeure en mesure de niveau dans le secteur de l'eau repose sur l'arrivée de la technologie radar qui évolue vers des produits bien adaptés aux multiples applications du domaine de l'eau, tant pour ses caractéristiques que pour son prix. Néanmoins, les autres principes de mesure, ultrasons, hydrostatique, bulle à bulle, flotteur? continuent à être appréciés pour leurs qualités propres.
Par , Technoscope
L’innovation majeure en mesure de niveau dans le secteur de l’eau repose sur l’arrivée de la technologie radar qui évolue vers des produits bien adaptés aux multiples applications du domaine de l’eau, tant pour ses caractéristiques que pour son prix. Néanmoins, les autres principes de mesure, ultrasons, hydrostatique, bulle à bulle, flotteur… continuent à être appréciés pour leurs qualités propres.
Comment déterminer un dispositif de mesure de niveau en fonction de la diversité des situations rencontrées ? « Tout est fonction du type de liquide, de la précision exigée, de la stabilité recherchée, de la facilité de mise en œuvre, de l’environnement, de la durabilité et naturellement des prix qui sont autant de critères intervenant dans le choix d’un ensemble de mesure », souligne
d'emblée Christophe Clutier, Responsable niveaumétrie chez Krohne.
Les principaux paramètres à prendre en compte pour la sélection d'un principe de mesure, puis d'un système, doivent également tenir compte de la densité du liquide, sa température, sa pression et la hauteur de mesure requise.
« Outre les capteurs, l'innovation concerne également l'autonomie des systèmes isolés alimentés par batteries et leurs aptitudes à communiquer par GSM avec la supervision à distance du niveau des nappes phréatiques ou des installations hydrauliques », précise de son côté Raphaël Peno Mazzarino, Product Manager chez Sdec qui propose une gamme diversifiée.
Ijinus, fabricant français de « smart sensor », propose de son côté une multitude de combinaisons adaptées à chaque spécificité de lieu. Il propose des solutions de mesure de niveau communicantes en complète autonomie (ultrason, piezzo, capacitif...). L'imagerie acoustique est la spécialité de cette PME bretonne. Elle permet, grâce à des algorithmes propriétaires qui tiennent compte de l’ensemble de la surface qui réfléchit l’onde, de compenser des éléments qui pourraient perturber la mesure (présence d’obstacle, surface chaotique). Cette technologie est associée à des moyens de communication modernes (GSM/GPRS) et une interface web adaptée. Ainsi, Ijinus permet dans un volume pas plus grand qu'une canette de 33 cl, d'apporter une réponse pertinente à des problématiques de mesures où l'encombrement, l'autonomie, la stratégie d’alarming imposent de repousser les limites de faisabilité connues.
De la simple échelle, du flotteur dont on repère la position, jusqu’aux mesures sans contact, plusieurs techniques ont été développées afin de surveiller les niveaux, que les capacités soient ouvertes comme dans les canaux, rivières, fleuves, retenues, ou fermées comme dans des cuves, collecteurs, réservoirs...
Pour effectuer une mesure de niveau par pression hydrostatique, un capteur de pression comprenant une membrane (ou cellule de mesure) détecte la variation de pression exercée par la colonne de liquide. Cette dernière augmente ou diminue en fonction de la hauteur de liquide. La mesure est convertie en signal électrique (4-20 mA) exploitable par un simple automate. Le transmetteur de pression différentielle est monté en bas de cuve et relève la pression. Simple, cette option exige cependant de connaître la masse volumique du liquide, valeur devant rester constante pour une appréciation de l’ordre de 0,075 % de la hauteur mesurée.
Suivant ce principe, mais installés par deux, les capteurs de pression différentielle sont utilisés pour évaluer le niveau d'une cuve sous pression. Cette technologie est parfaitement maîtrisée par STS France, Endress+Hauser, Nivus, Keller, Sart Von Rohr, Fuji Electric, Hitec, Kobold, Jumo, Isma ou encore Emerson Process Management qui propose des appareils pour des pressions allant jusqu’à 400 bar et des liquides jusqu’à 200 °C.
sont stables à long terme et résistent aux surcharges.
Pour mesurer les niveaux par pression différentielle électronique, le Deltabar FMD développé par Endress+Hauser s’affranchit des problèmes liés au gel, au colmatage, aux fuites et aux effets thermiques. Vega propose également ce type de solution. Avec quelques avantages notoires comme une tenue aux températures extrêmes (-40 °C… +400 °C), ainsi qu’une plage de mesure allant jusqu’à 1000 bar. De plus, un concept breveté permet de gérer les chocs de températures lors de fortes variations de chaud/froid.
Autre principe, le système bulle à bulle proposé par OTT, Ponsel, Bamo Mesures ou 2G Métrologie, évalue le niveau d’un canal ouvert ou celui d’eaux résiduaires chargées avec une précision de ± 1 %. Il nécessite un générateur d’air avec réglage de débit et capteur de pression ultra-précis. Sur le circuit d’air, le capteur mesure la pression nécessaire à l’échappement effectif des bulles d’air. Cette pression est égale à la pression hydrostatique de la colonne d’eau au point d’injection de l'air. Afin de limiter l’erreur de mesure due à une éventuelle variation du débit d’air, entre niveaux haut et bas, la pompe est équipée d’une micro-vanne.
Mesures indépendantes des ambiances
Pour la mesure de niveau capacitive, capteur et paroi du réservoir forment les électrodes d’un condensateur. Si le niveau change, la capacité électrique entre électrodes dévie. Le traitement électronique du signal évalue cette fluctuation. Les variantes robustes à câble et à tige sont appropriées pour de multiples applications. Des versions totalement isolées mesurent même des liquides corrosifs, agressifs ou des produits tendant à colmater.
Pour une mesure de niveau radiométrique, le dispositif est monté à l’extérieur du réservoir. Un isotope césium 137 ou un isotope cobalt 60 émet des rayons gamma focalisés. Sur le côté opposé du réservoir, un capteur intercepte les rayons gamma affaiblis par le liquide. Le niveau est calculé à partir de la puissance du rayonnement capturé. Dans ce cas, les caractéristiques physiques et chimiques du liquide n’ont aucune influence sur la mesure. Cuves sous pression ou dotées d’agitateurs par exemple ne constituent alors pas d’obstacle au procédé.
Plus spécifique encore, le mesureur de niveau potentiométrique Condurix de marque Fafnir distribué par Engineering Mesures renseigne de manière fiable sur les niveaux de remplissage des réservoirs pour tous types de liquides même ceux avec une forte viscosité. Il mesure aussi le niveau d’interface en continu pour les liquides de conductivité > 1 µS/cm. Bénéficiant d’une précision de ± 1 % de la mesure ou ± 1 mm, ses mesures sont indépendantes de la pression, de la température et de la densité. Sa plage de fonctionne-
Le réglage est librement ajustable sur toute la longueur de la sonde. Il se raccorde en 2 fils (4-20 mA).
Très utilisé en milieu naturel, le contrôle par ultrasons opère sans contact. Un capteur envoie des impulsions ultrasonores vers le liquide. Celles-ci sont réfléchies par la surface et relèvent le niveau car l’intervalle entre émission et réception des signaux est proportionnel à la hauteur du liquide. Ce procédé est approprié aux liquides mais également aux solides et poudres en vrac car ces capteurs présentent l’avantage de rester efficaces indépendamment des caractéristiques du produit.
Avec son système sans fil, Tecfluid élargit les montages du transmetteur aux applications installées dans des cuves et moyens de stockage éloignés ou difficilement accessibles. En effet, lorsque le câblage direct des capteurs s’avère difficile, des modules radio permettent de transférer le signal de plusieurs dizaines de capteurs à la supervision sur une distance de 3000 mètres maximum. Cette solution autorise une mise en œuvre rapide. Pour des installations mobiles ou ne disposant pas d’alimentation locale, le récepteur radio est équipé d’une batterie avec un panneau solaire intégré.
La technologie ultrasonore est cependant en concurrence frontale avec celle du radar. Contrairement à la première, la mesure radar est insensible aux gradients de température, à la présence de gaz, de vents, de pluie, de neige, de brouillard ou de condensation sur le capteur, ce qui s’avère décisif dans de nombreux cas. Ainsi, toute mesure reste possible avec des mousses aérées en surface, par exemple. De sorte que le radar convient aux relevés de niveaux sur rivières et fleuves mais aussi pour le traitement et les réseaux d’assainissement.
Vega propose par exemple une gamme complète de capteurs de niveau radars pour ces applications. Le Vegapuls WL 61, totalement immergeable, trouve ainsi de nombreuses applications dans le domaine de l’eau : le spectre s’étend de la mesure de niveau des bassins d’orage, des rivières et lacs, en passant par la commande de pompes dans les postes de relèvements. De plus, en réponse aux directives européennes sur les rejets d’eaux vers le milieu naturel, le radar Vega permet une mesure fiable du débit en entrée et sortie de stations d’épuration et des réseaux d’eaux usées. De par sa précision (± 2 mm) et sa simplicité d’utilisation, le Vegapuls 61 est en phase avec les attentes des organismes de contrôles.
Chez Endress+Hauser, le hardware et
Les logiciels de la famille Micropilot FMR5x ont été développés selon IEC 61508 jusqu'à SIL2/SIL3 en redondance homogène. Précis (± 2 mm), l’intégrité de la mesure est garantie grâce au logiciel d’évaluation Multi Echo Tracking et à des algorithmes dynamiques destinés à garantir les mesures les plus sûres et les plus précises.
Fonctionnant également sur le principe du radar guidé ou TDR, l’Optiflex de Krohne est destiné aux environnements non explosifs. Disponible avec afficheur et clavier intégrés, ses mesures sont indépendantes des variations de conductivité, de pression ou de densité du liquide.
L’appareil transmet des impulsions électromagnétiques le long d'un conducteur rigide ou flexible. Lorsqu’elles atteignent la surface liquide, elles sont réfléchies vers un convertisseur qui calcule le temps entre impulsion et réception, durée équivalente à la distance du point de référence de l’appareil à la surface. Poussière, mousse, vapeur, surfaces agitées, surfaces bouillonnantes, changements de pression, de température, de constante diélectrique ou changements de densité n'ont aucun effet sur la prise de mesure.
Sécuriser les mesures par redondance
Dans tous les cas, Fabien Georget, Directeur commercial de Nivus, préconise la redondance des mesures de niveau afin de surveiller les débits en écoulement libre. Les débitmètres combinent vitesse moyenne avec surface mouillée. Celle-ci est mesurée par ultrasons ou pression hydrostatique.
Afin de réduire l’incertitude de mesure en fonction de la qualité des eaux (claires ou chargées avec une éventuelle présence de mousses...), de la précision attendue, du prix d’installation et des coûts de maintenance, il sera proposé aux utilisateurs la possibilité de combiner jusqu'à trois types de capteurs de niveau, par exemple, capteur de pression hydrostatique plus capteur US aérien plus un capteur externe radar.
Cette combinaison présente l’avantage
Réaliser une mesure précise malgré la température
Dans une fonderie, les eaux industrielles servant au refroidissement des fours sont récupérées dans une fosse pour être recyclées. La température de ces eaux peut monter jusqu’à 80 °C. Pour maintenir un haut niveau de sécurité, il est indispensable de maîtriser parfaitement le niveau et la température de ces eaux. La mesure de niveau réalisée par des capteurs ultrasoniques serait perturbée par la vapeur et le gradient de température entre le transducteur acoustique et la surface de l'eau. Une solution fiable préconisée par Vega pour ce type de mesure est un capteur de pression hydrostatique pendulaire avec cellule céramique. Ce capteur immergé est insensible aux vapeurs. Il offre l'avantage de fournir à la fois une mesure de température et du niveau grâce à une sonde Pt100 intégrée. Pour une précision optimale, cette mesure est compensée en densité dans l’automate grâce à l’information température. Sans compensation, un décalage pouvant atteindre 10 cm sur la mesure de niveau serait observé du fait de la variation en densité de l'eau entre 25 et 80 °C.
Dans ce type d’applications, les interventions de maintenance sur les appareils de mesure sont principalement dues à l'encrassement ou à l'usure de la cellule de mesure.
Pour éliminer la maintenance, le Vegawell 52 est pourvu d'une cellule de mesure en céramique, avec un montage 100 % arasant. Cette combinaison innovante permet un effet d'autonettoyage de la cellule et bénéficie d'une rigidité inégalée par les cellules métalliques.
Pour faciliter l'accès aux mesures, il est possible de compléter l'installation avec un Vegadis 62 (unité d'affichage/réglage). Le raccordement 4-20 mA/Hart permet de réaliser un montage déporté jusqu’à 1,5 km du capteur.
Le Vegawell 52 est simple à mettre en œuvre. Le para-surtenseur intégré protège l'appareil et assure un usage sur le long terme. Cette solution est aussi utilisée avec succès pour la double mesure de niveau et température en rivière, sur rejet usine, etc.
D'associer les points forts de chaque technologie et couvre tout le spectre de l’application de manière fiable en réduisant l’incertitude par comparaison des données acquises. Pratiquement, la redondance se limite à deux types de capteurs qu'il s'agit néanmoins de choisir judicieusement sachant que pour un coût inférieur à 1 000 €, chaque compromis se montre excellent.
Sur la base d'une démarche semblable, Endress+Hauser, Emerson Process Management ou Bürkert développent aussi un principe à lames vibrantes.
Un élément piézocéramique alimente des lames vibrantes en fréquence de résonnance. Le capteur utilise deux éléments piézo-électriques, l’un émetteur de vibrations, l'autre récepteur. Lorsque les lames vibrantes sont couvertes de liquide, la fréquence de résonnance est atténuée. Ces capteurs sont précis, fiables avec une sortie relais. Ils offrent une sensibilité élevée ainsi
qu'une bonne résistance aux vapeurs et turbulences.
Bürkert aligne de son côté une gamme de niveaux à partir de ce principe pour l'industrie pharmaceutique et agro-alimentaire. Les niveaux sont conçus en fonction des contraintes et s'adaptent à l'eau ultra pure ou au traitement des eaux usées avec fluides neutres ou agressifs.
Baumer, de son côté, développe une nouvelle technologie à balayage de fréquence. La fréquence, balayée par le transmetteur, subit un déphasage en fonction du média. Lorsque le média, à la constante diélectrique (ou Permittivité εr) spécifique, entre en contact avec l'instrument, cela déclenche un contacteur électronique. La haute sensibilité et la plage de mesure très étendue (de 1,5 à plus de 100 εr) permettent de détecter le niveau des poudres, granules et liquides, et même de substances difficiles telles que des granules de polyamide ou du papier. Cette technologie présente plusieurs avantages. Elle ne met en œuvre aucune pièce vibrante et est insensible aux modifications de la conductivité, température ou pression. En outre, le capteur est utilisable dans des applications dans lesquelles des composants de technologies différentes sont habituellement requis. Ainsi, le détecteur de niveau LBFS détecte les niveaux haut et bas dans les cuves et canalisations. Il s'utilise également pour protéger les installations contre le trop-plein ou la marche à vide des pompes et pour les phases de séparation des mélanges huile/eau. Son champ d’applications est vaste : eau potable, eaux usées, filtration, CVC, hydraulique, huile et gaz, bioénergie, meunerie, transport ferroviaire, etc. Le capteur est intégré dans un boîtier compact et robuste en acier inoxydable résistant à la corrosion. Il peut être facilement installé avec un raccord à souder fourni par Baumer. Pour sa configuration sur PC, Baumer recommande son interface Flex-Programmer 9701. Grâce à son temps de réponse rapide d’à peine 0,2 s, le capteur fournit une détection fiable y compris dans les process de remplissage rapide. Sa plage de fonctionnement est de ‑40 à +115 °C. À noter que Baumer propose maintenant le LBFS avec des raccords spécifiques G ½ pour le montage inversé.
Enfin, pour des applications spécifiques, différents principes de mesure intégrés sont à même de cohabiter en un même boîtier (lames vibrantes, ultrasons, radar ou radar à ondes guidées pour les variations de niveau).
Ces principes de détection et de mesure en continu sont fiables et précis.
Outre la mesure de niveaux, les applications concernent aussi la détection de cuve vide, la détection de fuites, la sécurité anti-débordement et la protection du fonctionnement à vide des pompes. « La solution minimale à mettre en œuvre pour toute mesure de niveau est d’associer à chaque mesure une sécurité anti-débordement (détection haute) » souligne-t-on chez Endress+Hauser.
Cette redondance, dans tous les cas, ne nécessite qu'un investissement relativement faible pour une précision et une sécurité maximales.
Magnetrol élargit sa gamme en mesure de niveau
Magnetrol est en mesure de concurrencer n'importe quel fabricant d’instruments dans une large gamme d’applications de mesure de niveau et de volume.
Son nouveau modèle Echotel® 355, un transmetteur à ultrasons sans contact alimenté en boucle de courant à 2 fils, offre par exemple un haut niveau de performances pour la mesure de niveaux et volumes de liquides ainsi que de débits d'écoulements en canal ouvert. Cet appareil, économique, avec électronique intégrée, bénéficie d'un puissant transducteur à ultrasons de 60 kHz et d'un traitement évolué du signal numérique autorisant une plage de mesure pouvant aller jusqu’à 6 m. Il peut être configuré localement, grâce aux menus disponibles sur l'afficheur LCD à 4 boutons, ou encore à distance par le biais de la communication numérique HART® ou du logiciel PACTware™, avec la possibilité supplémentaire de capturer les formes d’ondes d’échos, de visualiser les données de tendance, les conditions de diagnostic et tous les paramètres de configuration. L’électronique intégrée est logée dans un boîtier en aluminium moulé ou en matière thermoplastique. L'électronique intelligente analyse le profil de l’écho ultrasonore, applique une compensation de température, rejette les échos provenant de fausses cibles, puis traite le véritable écho provenant de la surface du liquide. Ces fonctionnalités permettent des mesures fiables, même lorsque l’application est soumise à des perturbations telles que des turbulences ou des faux échos.
Autre exemple, le nouveau modèle R82, un transmetteur radar sans contact de 26 GHz à 2 fils, est un appareil performant, économique, basé sur le concept du radar à salves d’impulsions. De brèves rafales de micro-ondes de 26 GHz sont émises, puis réfléchies par la surface du liquide. Le niveau de liquide est calculé en tenant compte de la hauteur du réservoir et du décalage du capteur. Les fonctionnalités évoluées de la technologie radar deviennent accessibles à un prix concurrentiel par rapport aux modèles à ultrasons alimentés en boucle de courant. Le modèle R82 peut être utilisé dans des milliers d’applications de stockage. L’appareil est conçu pour pouvoir effectuer des mesures jusqu’à quelques centimètres du sommet du réservoir. L’antenne conique intégrée en polypropylène ou en Tefzel® autorise une utilisation dans la plupart des fluides les plus corrosifs.
Pour les applications les plus difficiles comportant des turbulences, de la mousse, des vapeurs lourdes et des dépôts sur l’antenne et/ou d'autres applications, il est possible de recourir au Pulsar™ (radar à 6 GHz) qui effectue des mesures efficaces dans des plages pouvant aller jusqu’à 20 m.
