Deux grands principes physiques de mesure de niveau sont répandus depuis plus quarante ans dans le secteur de l'eau : les ultrasons et la mesure de pression hydrostatique. Le radar, développé il y a une quinzaine d'années, est plutôt présent dans le secteur industriel et dans le domaine des alertes de crues. Si les techniques de mesure n?ont pas changé, les innovations s'orientent actuellement vers le développement de systèmes autonomes de mesure, très attendus par les exploitants de réseaux.
La mesure de niveau est omniprésente dans le domaine de l'eau. Elle est utilisée à toutes les étapes des procédés de gestion des eaux et des effluents, aussi bien pour surveiller les captages, qu’optimiser le fonctionnement des ouvrages sur le réseau, mesurer la hauteur des rivières ou des nappes phréatiques ou encore dans le domaine des eaux industrielles.
Les deux principes de mesure les plus couramment rencontrés sont la mesure de niveau par pression hydrostatique et les ultrasons. « Pour une même application, les deux principes peuvent être rencontrés. Le choix se fait selon les habitudes de travail de chacun », souligne Christian Husson, Chef de produit niveaumétrie chez Endress+Hauser. « Pour l'heure, les deux marchés progressent au même rythme ». Plus marginale et coûteuse, la technologie du bulle à bulle peut également être une solution, notamment pour certaines situations exigeant une grande précision de mesure. Le radar constitue une autre alternative, en particulier pour les effluents.
Pour les usages industriels ou pour des mesures de niveau avec des émanations gazeuses variables comme en réseaux d’assainissement, Krohne, Hitec, Endress+Hauser, Jumo, Nivus, Vega, Siemens Process Instruments, STS France, Sika France, Baumer, Bürkert, Paratronic, Neotek Ponsel, Ijinus ou Tecfluid... Les acteurs de la mesure de niveau sont nombreux à proposer des capteurs de mesure de niveau hydrostatique ou à ultrasons. Certains proposent un large catalogue de produits en poste fixe comme Endress+Hauser, d’autres se positionnent sur des niches répondant à des besoins plus restreints et particuliers. C’est ainsi que des constructeurs ont développé dernièrement des capteurs ultrasoniques autonomes. Ces appareils sans fil constituent la principale innovation technologique enregistrée ces dernières années en nivéométrie, les principes de mesure des capteurs n’ayant pas changé depuis plus de 40 ans.
Les capteurs hydrostatiques : une solution avantageuse
Pour Jacques Bouchinet, gérant fondateur de Hitec, entreprise indépendante et 100 % française qui conçoit, développe et fabrique depuis 1998 une gamme complète de capteurs de niveau et de pression, « l’intérêt de la mesure hydrostatique réside dans le fait qu'elle constitue une technologie peu chère, d’une fiabilité à toute épreuve, caractérisée par une mise en service facile et rapide ». Le capteur de pression piézorésistif est plongé en fond de bassin, suspendu à l’extrémité d’un câble ou placé dans un tube PVC protecteur. Là, il mesure la hauteur de la colonne d'eau présente au-dessus d’une membrane, additionnée ou non de la pression atmosphérique (selon qu’il y ait ou non compensation).
Côté applications, parce que la mesure d’eau dans un forage d’adduction d’eau ou dans une nappe phréatique nécessite l’immersion d’un capteur dans l’eau, les sondes de niveau par pression hydrostatique représentent la solution idéale. Elles peuvent être utilisées également pour la surveillance des crues.
« Ces capteurs immergés présentent l’avantage d’être peu soumis à une variation de température au contraire des capteurs ultrasoniques aériens, qui nécessitent une compensation adaptative de température », souligne Jacques Bouchinet. Leur précision est correcte (± 0,1 %) et la plage de mesure peut aller jusqu’à 250 mètres. Revers de la médaille pour ces systèmes immergés : la nécessité d’un ré-étalonnage régulier. De fait, la pression exercée sur la membrane peut induire au fil du temps une dérive des résultats. Par ailleurs les appareils ont tendance à s’user, avec une durée de vie moyenne limitée à quelques années dans les eaux usées. Les instruments doivent être nettoyés régulièrement. Les problématiques d’encrassage et de colmatage sont courantes. D’où un coût de maintenance et d’entretien non négligeable, tandis que les coûts d’investissement sont plutôt attractifs, un argument de poids aux yeux des constructeurs de nouvelles installations.
« Pour répondre au problème spécifique des eaux usées nécessitant une intervention humaine fréquente, nous avons développé un produit spécial assainissement, dénommé CP5230, dont le corps et la tête sont revêtus de PTFE, matériau non adhérent. Cette sonde est équipée d’une membrane de mesure souple et facile à nettoyer. »
En lieu et place d’une membrane en inox jusqu’à maintenant utilisée, qui a tendance à s’oxyder et donc à se détériorer, nous avons ainsi prouvé qu’il est possible d'employer des sondes piézorésistives peu onéreuses pour des sites difficiles tels que des postes de relèvement très colmatants, les eaux de récupération de centres de déchets, les boues, etc. », affirme Jacques Bouchinet.
Sur ce marché de volume que constituent les capteurs hydrostatiques, Endress+Hauser propose de son côté une large gamme de produits, allant des capteurs « low cost » (signal 4-20 mA éventuellement basique), aux « Deltapilot M » entièrement numériques (en Profibus). « Cette nouvelle génération d’appareils, sortie il y a 6 mois, récupère non seulement des données d’instruments, en particulier de niveau, mais aussi des données de maintenance ou de défaut dans le procédé », précise Christian Husson.
GE Sensing est également un acteur important dans la mesure de niveau par mesure de pression hydrostatique. Cette société a développé toute une gamme de capteurs de niveau utilisant la technologie piézorésistive dont elle maîtrise intégralement le process de fabrication, notamment le dopage des wafers (disque de silicium) ce qui se traduit par une stabilité à long terme meilleure que 0,05 % de l’échelle sur un an. Cette dernière donnée est essentielle dans la mesure de niveau car ces dérives se traduisent par des erreurs non négligeables dans les faibles hauteurs d'eau.
GE Sensing propose également, sur certain modèle (PTX 1830), une membrane en titane pour une meilleure tenue à la corrosion, ceci après avoir constaté il y a une vingtaine d’années sur des modèles à membrane inox une corrosion de cette dernière après immersion de plusieurs mois dans de l'eau se traduisant par une dérive du signal due à une perte d’élasticité. Cette membrane est conseillée dans les eaux usées, stagnantes et eau de mer. GE Sensing porte également une attention toute particulière à la protection contre toute intrusion d'eau dans le temps : l'entreprise utilise des presses à injecter haute pression pour la sortie câble (étanchéité testée jusqu’à 100 bar) IP68 ; de plus, chacun des fils du câble est en interne protégé par des « bouchons » en caoutchouc pour éviter toute infiltration d’eau. Le tube de référence ou tube de respiration est directement raccordé à l’arrière de l’élément sensible de manière à ne pas endommager l’électronique en cas d’infiltration d’eau.
Dans le domaine des forages, il a fallu répondre récemment à une nouvelle contrainte : la recherche d’eau dans des nappes phréatiques de plus en plus profondes, devenue aujourd’hui courante. Aussi, certaines entreprises comme STS France ou Hitec ont développé des capteurs fonctionnant à des pressions élevées jusqu’à 30-50 bar, équipés de câbles spéciaux de 300 à 500 mètres. L’innovation s'est orientée également vers la miniaturisation des appareils de mesure. STS France propose, par exemple, le capteur/transmetteur de niveau MTN/N 10, composé d’une sonde de pression hydrostatique de 10 mm de diamètre qui peut se faufiler partout. Hitec a développé de son côté la sonde CP 5215 de 15 mm de diamètre.
Enfin, les systèmes autonomes sans fil de mesure de niveau ont vu le jour dernièrement. Distec propose ainsi le Frog RX, un enregistreur autonome tout terrain, durci IP68, conçu spécifiquement pour être installé et utilisé dans des conditions hostiles. Le Frog RX permet en particulier l'acquisition et la télétransmission de mesures de niveau de rivière et nappe phréatique. Quant à STS France, elle propose un datalogger autonome de faible diamètre (24 mm) avec une mémoire de 5000 valeurs, enregistrant et mesurant le niveau, la température et la conductivité d'un liquide, qui peut être inséré complètement dans un tube de forage 2 pouces. Enfin, la société Ijinus propose un nouvel enregistreur analogique et numérique GSM et RFID, autonome, IP68, intégrant 2 Mo de mémoire et très compact : Ø 64 mm × 160 mm, qui sera présenté à Pollutec Lyon 2010.
Les ultrasons : partout présents
Krohne, Endress+Hauser, Paratronic, Bürkert, Kobold, Ijinus, Nivus, Vega… proposent cette technique ancienne, utilisée depuis plus de 40 ans également.
Dans le secteur des eaux usées, ou pour les mesures de niveau dans les réservoirs d'eau potable. Placés de 25/30 cm à plusieurs mètres du fluide, les capteurs émettent des ultrasons, qui vont se réfléchir sur la surface et, en retour, détecter les ondes réfléchies. De la mesure du temps de parcours aller/retour se déduit la mesure de niveau, avec une précision de l’ordre de ± 3 mm. Dans le secteur des eaux usées, la mesure de niveau par ultrasons reste un grand classique : près de 50 % de capteurs fonctionnent selon ce principe, que ce soit en poste de relèvement, pour le suivi de cuves, pour les entrées/sorties des stations d'épuration ou pour les déversoirs. « Les mesures de débit réalisées sans mesure de vitesse ne sont la plupart du temps qu'une simple mesure de niveau avec laquelle le transmetteur calcule un débit (application d’une formule de conversion ou d'une courbe Q = f(H)) », signale par ailleurs Fabien Georget, responsable des ventes chez Nivus France, société qui propose une large gamme de capteurs de mesure de débit et de niveau. « Historiquement, si dans les postes de relèvement les sondes ultrasoniques avaient le monopole au milieu des années 1990, certaines installations ont délaissé cette technologie pour s’équiper de capteurs piézorésistifs », rappelle de son côté Nicolas Marion, sales manager chez Neotek Ponsel. « En effet dans certains sites, la présence d'obstacles (poires de niveaux, barreaux d’échelle, etc.) ou l'étroitesse des conduits des réservoirs, voire certaines inégalités de la paroi peuvent entraîner des problèmes d’ondes ultrasoniques parasites ». Pour répondre à cette problématique, Neotek Ponsel a lancé la technologie Datem, logiciel de traitement de signal qui permet de prendre comme référence la valeur de l’écho qui bouge (celle du fluide) et donc d’écarter systématiquement tous les parasites. Ainsi, bien maîtrisée par ce traitement de signal installé dans le transmetteur ultrasonique, la technologie par ultrason pourrait regagner du terrain.
D’autant que les capteurs de mesure de niveau par pression hydrostatique ont leurs limites. Il s'agit de consommables, de surcroît susceptibles de donner des résultats de mesure faussés en cas de déformation de la membrane (liée à la pression de l'eau). De plus, les capteurs de mesure de niveau par ultrasons – non immergés – ont l'avantage de ne pas nécessiter d’entretien et donc un moindre coût de maintenance.
Certes, les capteurs ultrasoniques sont 30 à 40 % plus onéreux que les capteurs hydrostatiques, mais leurs coûts d’exploitation sont moindres. D’où leur intérêt pour les exploitants qui prennent en considération les coûts d’entretien, le renouvellement des pièces (5 à 10 ans pour les sondes ultrasons versus 2 ans pour les sondes hydrostatiques), le prix du consommable, etc.
Krohne offre une gamme complète de transmetteurs de niveau à ultrasons Optisound pour liquide et solide. De son côté, Endress+Hauser propose dans sa gamme de capteurs et transmetteurs, dénommée Prosonic S, une nouvelle sonde ultrasonique FDU 90, qui peut être installée à 7 cm du niveau. L'instrument est particulièrement adapté aux endroits confinés : sites enterrés ou bassins clos, solutions adoptées de plus en plus fréquemment pour éviter la propagation des odeurs. Endress+Hauser propose également des enregistreurs « intelligents », capables de transmettre les données jusqu’au centre de supervision et, en retour, de gérer l’activité d’équipements autres que les capteurs. De telles fonctions sont aujourd’hui de plus en plus appréciées. En particulier, le capteur radar Cruzoe de Paratronic : sa faible consommation (quelques microampères) autorise son utilisation sur des sites dépourvus d’énergie. Il garantit une précision de ± 3 mm pour des hauteurs de mesure allant jusqu’à 30 mètres. Son épaisseur de 8,5 cm permet de le dissimuler facilement.
pour les postes de relevage isolés, dépourvus d’électroniques, équipés d’un simple poste électrique dédié au fonctionnement des pompes. Le capteur de mesure fonctionne alors comme un automate, capable de contrôler la mise en service en alternatif de différentes pompes, la vitesse de déversement des postes de relevage dans les stations d’épuration.
Paratronic propose également une gamme complète en ultrasons dont le succès est lié à sa très faible consommation qui en fait un capteur ultrasonique 4-20 mA sur deux fils, c’est-à-dire un capteur ultrasonique aussi souple d'utilisation qu'un capteur hydrostatique. En effet, autoalimenté dans la boucle de mesure (10 V suffisent), il se connecte directement sur l’entrée mesure des automates ou postes de télégestion sans passer par des boîtiers intermédiaires d’affichage ou de transmission du signal.
D’autres fabricants comme OTT proposent également des enregistreurs dits intelligents capables de traiter d'autres paramètres ou bien de fournir des indications sur leur état. C’est par exemple le cas du CTD d’OTT capable de mesurer le niveau d'eau, la température et la conductivité, ce qui permet de déterminer la salinité de l'eau.
Outre ces progrès en poste fixe, l'innovation s’oriente désormais vers la mise au point de dataloggers autonomes en énergie et dotés d’une mémoire destinée à stocker les mesures avant de les transmettre via une communication GSM sur un outil de supervision.
Nettement plus “énergivores” que les capteurs de mesure de niveau par pression hydrostatique, aucun système de mesure de niveau par ultrasons, sans fil, n’avait jusqu'à présent été développé. Ce manque vient d’être comblé par plusieurs fabricants.
Disposant d’une expérience en électronique embarquée, Ijinus, fabricant de capteurs et d’enregistreurs pour la mesure de niveau et de température, a le premier mis au point un capteur de niveau à ultrasons sans fil dès 2004. « D’un diamètre de 6,4 cm, d’une hauteur de 13,5 cm et pesant 250 g, étanche IP68, le capteur peut mesurer et enregistrer 50000 données. Pour une mesure effectuée toutes les 20 minutes, le capteur possède une autonomie de 5 ans avec une seule pile », précise Bruno Hervé, de chez Ijinus, primée aux Trophées Franco-Allemandes de l’Embarqué 2008 organisés par Captronic-DGE Syntec Informatique. « Les données sont récupérées par une GSM Box multivoies (16 capteurs) qui les transmet par SMS à un superviseur client ». Une innovation qui répond à un besoin important dans le secteur de l'eau (réseaux d’eaux usées, pluviales ou potable, STEP, postes de relevage…) et de l'environnement (prévision des crues, détection des anomalies des réseaux, pollutions…). Ijinus présentera également à Pollutec 2010 un capteur enregistreur de niveaux à ultrasons RFID autonome tout en un qui intègre à la fois son énergie, son enregistreur, son transmetteur sans fil et son capteur capacitif.
Les avantages du sans-fil sont immenses : gain de temps (suppression des dépla-
Investissements pour la collecte des données), maintenance aisée (batterie interchangeable, nettoyage automatique des têtes ultrasons), gain de sécurité (diagnostic permanent des réseaux, détection des surverses, surveillance des rejets polluants), gains financiers (réduction des investissements par optimisation des réseaux, batterie non résinée pour la recycler et réduire le coût de la maintenance…).
À signaler que Paratronic a mis sur le marché il y a deux ans une gamme appelée « TBRS » qui permet à l'ensemble de ses capteurs (hydrostatiques, ultrasoniques ou radars) d’être totalement autonomes et déportés de plusieurs centaines de mètres, voire de plusieurs kilomètres, de l’automate ou de la centrale d’acquisition utilisant ses mesures en temps réel.
De son côté, Perax a travaillé en partenariat avec Neotek Ponsel sur un nouveau produit qui sera bientôt lancé sur le marché. « Nous avons amélioré l’électronique de nos sondes pour qu’elles consomment moins », commente Nicolas Marion. « La société Perax a conçu de son côté un datalogger compatible avec notre capteur. Nos compétences ainsi réunies, nous avons réussi à mettre au point un instrument autonome, qui a déjà été testé avec succès sur le terrain. » Sa commercialisation est prévue pour l’automne 2010.
La demande des exploitants reste forte. « Outre le marché de renouvellement que représentent les stations d’épuration, un marché de développement se profile pour le diagnostic permanent des déversoirs d’orage », souligne Nicolas Marion. « Notre produit, fiable et performant, répond à ce nouveau besoin. »
Le radar : de nouvelles perspectives d'utilisation
Les capteurs radars cumulent les bénéfices des capteurs à ultrasons. Mais, avantage marquant, contrairement aux capteurs de mesure de niveau hydrostatique ou à ultrasons, leur principe de mesure basé sur les hyperfréquences les rend insensibles aux conditions climatiques, c’est-à-dire à la pression, à la température (onde radar), aux gradients de température entre sonde et liquide mesuré, aux mélanges gazeux, à la présence de vapeur (sauf nuage dense de vapeur), à la condensation et aux surfaces agitées. Ces capteurs garantissent une précision de ± 1 mm pour des hauteurs de mesure allant jusqu’à 80 mètres. Autre intérêt, leur faible consommation : elle autorise une alimentation sur batterie, accus ou sur panneaux solaires.
Au début des années 1990, Krohne, qui dispose d'une expertise particulière en niveaumétrie (radar, ultrasons, etc.) en canal ouvert ou en gestion de stockage en réservoirs, a ouvert la voie à la niveaumétrie radar dans les process en proposant les premiers appareils de mesure en continu fonctionnant selon le système FMCW (onde continue à modulation de fréquence).
« Un signal hyperfréquence est utilisé avec une fréquence d'émission qui augmente dans l’intervalle de temps de mesure », précise Christophe Clutier, Krohne. « Le signal est émis, réfléchi à la surface du produit, puis réceptionné après un certain intervalle de temps. La différence entre la fréquence d’émission et la fréquence reçue est directement proportionnelle à la distance entre l’appareil et le liquide. »
Particulièrement dynamique, ce système de mesure est capable d’assurer une détection fiable du niveau en condition difficile.
En 1995, l’entreprise a introduit les appareils radar guidés TDR. « Les impulsions électromagnétiques sont émises le long d’un conducteur tige ou câble », explique Christophe Clutier.
Les atouts d’un tel système sont nombreux : mesures fiables en réservoirs à surface agitée, avec mousses ou obstacles, où l’onde radar n’est pas forcément réfléchie perpendiculairement, mesures fiables également pour des applications liquides difficiles.
(acide chlorhydrique, soude, ammoniac, etc.), meilleure précision et commande de process plus sûre grâce à une dynamique de mesure plus grande et une bande de mesure plus large (2 GHz)...
Utilisés depuis plus de 15 ans pour les procédés industriels en environnement sévère (réacteurs chimiques, pharmacie, Oil & Gas, environnement naturel), les capteurs de niveau radar ont souvent l'image de capteurs performants mais onéreux. Il existe pourtant des modèles très accessibles pour de nombreuses utilisations dans le domaine de l'eau : surveillance de crues et niveaux de rivières, mesure de niveau de réservoirs et de stations de pompage, mesure de débit à ciel ouvert, mesure en amont des barrages, mesure de marée, gestion d'une écluse, diagnostic réseau, niveau bassin d’orage, etc.
Vega Technique propose par exemple une gamme d'instruments fonctionnant selon un principe de mesure sans modulation de fréquence (mesure du temps de parcours aller/retour d'impulsions micro-ondes). Le Vegapuls 61 a ainsi été spécifiquement conçu et dimensionné pour ces applications : températures de ‑40 à 80 °C et pression de 0 à 3 bar. C'est un produit accessible financièrement qui bénéficie de nombreuses années d'expérience.
Monté hors de l'eau, le Vegapuls 61 est à l'abri des risques d'arrachement et des autres problèmes d’envasement et de prolifération des végétaux. Comme il n’est pas immergé, le capteur ne s’encrasse pas et ne nécessite aucune maintenance. « Néanmoins, pour les montages en réseau d’assainissement, il existe aussi une version IP68 pouvant être totalement immergée » avertit Guy Deiber de Vega Technique. « Le signal ne connaît aucune dérive à cause des vents, gradients de température, ensoleillement, émanations gazeuses, etc. Les algorithmes de traitement de signal intelligents permettent une distinction de l'écho mobile du produit de tous les éventuels échos parasites pour une grande fiabilité de mesure ».
Un datalogger intégré enregistre jusqu'à 100 000 mesures. « En option, un pack accumulateur avec module GSM/GPRS permet d'en faire aussi un capteur totalement autonome. Leur prix est selon les versions de 1,2 à 1,5 fois plus élevé que celui des capteurs à ultrasons mais pour une fiabilité et sécurité de fonctionnement supérieure ».
Un rapport d'essais rendu public au mois de juillet 2010 par l'École nationale du génie de l'eau et de l'environnement de Strasbourg (ENGEES) a toutefois comparé un capteur de niveau radar à un capteur de niveau à ultrason sans fil dans les deux configurations suivantes : en statique sur un écoulement permanent et en dynamique sur un écoulement transitoire. Ce test avait été commandé par une régie du centre de la France. Le résultat a surpris plus d'un spécialiste : le radar présente une plus grande variabilité de mesure que le capteur ultrason qui est plus stable en mesure dans les deux conditions... Le contexte et les conditions d’usage sont probablement prépondérants : dans un milieu donné, le radar sera plus performant alors que dans un autre milieu, l’ultrason s’avérera plus adapté.
Tecfluid propose de son côté une gamme de transmetteurs de niveau radar guidé pour liquides série LTDR. Cette gamme assure une mesure de niveau en continu directe, précise et fiable ou une détection ponctuelle de niveau avec un système unique.
assure une mesure de niveau en continu directe, précise et fiable ou une détection ponctuelle de niveau avec un système unique. Elle convient pour pratiquement tous les liquides et se caractérise par un comportement exceptionnel pour les liquides avec une constante diélectrique faible (faible réflectivité), comme les huiles ou les hydrocarbures. Elle est adaptée aux petits réservoirs, avec accès élevés et étroits et/ou les réservoirs aux géométries inhabituelles ou avec des structures interférentes.
Bulle à bulle : précision et facilité de mise en œuvre
Le procédé consiste à insuffler un débit d'air constant dans un petit tuyau débouchant sous la surface de l'eau. L'air comprimé est produit par un compresseur à piston compact. La pression de l'air (équilibrée par la colonne d'eau) qu'il faut appliquer pour produire des bulles est égale à la pression du fluide en bout de canne. La mesure de la hauteur d'eau est égale à la pression d'air fournie.
En France, quelques fournisseurs comme OTT, Endress+Hauser ou Neotek Ponsel proposent des appareils qui fonctionnent sur ce principe du bulle à bulle, particulièrement adapté aux applications nécessitant une mesure extrêmement précise. Cette technique, qui a fait ses preuves, permet d’acquérir des données non seulement exactes (sans dérive) mais aussi précises (± 1 mm). Son prix est 150 % plus élevé que celui des capteurs à ultrasons, mais sa précision est nettement supérieure. Son rapport qualité/prix reste donc intéressant, y compris par rapport à la technologie radar dont la précision est de ± 2 mm.
Utilisés dans 90 % des cas en portage et 10 % des cas en poste fixe, les capteurs bulle à bulle sont souvent utilisés en zone de barrage ou pour des canaux venturi en sortie de stations d’épuration sur des eaux calmes (vitesse inférieure à 1,50 m/s).
CBS d’OTT est un capteur bulle à bulle compact pour la mesure indirecte et continue du niveau d’eau. Il fonctionne selon un procédé de mesure sans dérive et couvre une large gamme de mesure allant jusqu’à 30 m. L'air comprimé, produit par une pompe à piston compacte intégrée, passe dans le tube de mesure et s’échappe dans l'eau par la prise de pression. La pression d'air dans le tube est alors équivalente à la pression hydrostatique majorée de la pression atmosphérique. La cellule de mesure intégrée mesure successivement la pression dans le tube de mesure et la pression atmosphérique. Le capteur calcule le niveau d’eau au-dessus de la prise de mesure au moyen de la différence des deux pressions obtenues. Ce principe de mesure différentielle garantit des mesures précises et sans dérive à très long terme. Les mesures sont effectuées selon des intervalles prédéfinis. Après chaque mesure, l'appareil s'éteint et se met en mode veille jusqu’à la prochaine mesure.
