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Mesure de niveau : les radars en première ligne
Jacques-Olivier BARUCH 29 novembre 2019 Paru dans N°426 - à la page 91

La vérification du niveau de liquides ou des solides, là où ils passent ou sont stockés, est une application des plus courantes dans l’industrie de l’eau. Face aux autres techniques, les capteurs radar ont le vent en poupe. Focus sur la technologie.

Chaque jour ou presque apporte sa nouveauté en matière de capteurs de niveau par radar. « L’engouement pour cette technique est tel que les fabricants ne peuvent pas rester inactifs », admet Luc Heusch, responsable des ventes chez Vega, leader sur ce marché depuis 30 ans. 

Alors que cette technologie est jugée compliquée et onéreuse lorsqu’elle s’adresse à nombre de secteurs industriels compte tenu de leurs contraintes de chaleur et d’agressivité du milieu, la forte constante diélectrique de l’eau (environ 76) en fait un produit simple à mesurer par réflexion radar.

Le transmetteur de niveau radar Optiwave 1400 FMCW 24 GHz de Krohne offre les avantages associés à la technologie radar FMCW à un prix compétitif.

Une technologie très présente dans le domaine de l’eau

Elle est donc désormais largement mise en œuvre sur les cours d’eau, les réservoirs, dans les bassins de rétention, les canaux venturi, mais aussi dans les postes de relèvement, quand l’eau doit être envoyée vers les stations d’épuration. Dans ce cas, la mesure de niveau permet d’activer les pompes jusqu’à ce que le niveau soit bas, sans vider le réservoir.
Le Vegapuls 64 est le premier capteur de niveau radar destiné aux liquides qui fonctionne à une fréquence de 80 GHz.

Le principe utilisé pour mesurer les niveaux d’eau est évidemment le même que dans les autres secteurs de l’industrie. Un émetteur envoie des ondes électromagnétiques de fréquence radio vers la surface à mesurer et recueille l’onde réfléchie. Selon le guide pratique de l’agence de l’eau Rhin-Meuse, «  (L’utilisation des ondes électromagnétiques) signifie que les ondes émises n’ont pas besoin de support pour se propager et qu’elles ne sont donc pas perturbées par les variations de température, les brumes, le vent, les mousses et les flottants ». Un avantage non négligeable dans le secteur de l’eau. À la vitesse de la lumière, soit 300.000 km/seconde, cette onde ne met que 3 milliardièmes de seconde pour parcourir 1 mètre. La mesure de temps de transit, qui sera convertie en distance, doit donc être extrêmement précise. Selon l’Institut national de recherche et de sécurité (INRS), « la qualité du signal dépend non seulement du matériau, de sa forme mais aussi de la fréquence du signal émis ».

Une offre qui s’élargit

Les premiers capteurs radar de Vega, initiés en 1991, fonctionnaient à 5,6 GigaHertz (Ghz), mais l’angle du faisceau étant inversement proportionnel à la fréquence, la précision laissait parfois à désirer. Isma, avec son MRG 10 est resté fidèle à cette fréquence et conseille son radar pour les bassins de stockage d’eaux usées. Comme beaucoup, Vega est passée à la gamme des 24-26 Ghz il y a une quinzaine d’années, l’angle du faisceau passant de 30 degrés à environ 10 degrés, puis aujourd’hui au 80 Ghz et donc un angle d’environ 3 degrés, ce qui permet de mieux séparer le signal du produit des signaux parasites. « C’est davantage adapté aux enceintes encombrées d’équipements comme les postes de relèvement, remarque Damien Jacquier, responsable des divisions Eau, Energie et Environnement France et Afrique chez Krohne. Mais 80 % du marché reste en 24 Ghz, car les hauteurs à mesurer sont généralement faibles dans le secteur de l’eau ». C’est le cas de l’Optiwave 1400 de Krohne, sorti en juin dernier, qui, grâce à son antenne en polypropylène, peut fournir un faisceau de moins de 8 degrés, mais aussi des NRM de Kobold, des NRV420 ou NRV485 de Paratronic, des série-P de Nivus, du transmetteur de niveau type 2290 de Georg Fisher, du Pulsar R86 commercialisé par Fuji Electric, des Micropilot FMR10 et 20 d’Endress+Hauser ou du Rosemount 5408 d’Emerson qui peut aussi fonctionner à 6  Ghz. Bürkert s’est quant à lui converti au 80 Ghz avec son nouveau Type 8139, comme Vega. Cette modification de fréquence a occasionné une augmentation de la plage dynamique du signal. Chez Bürkert comme chez Vega « la plage dynamique du signal est passé à 120 dB, au lieu de 96 dB pour les radars 26 GHz ».

Les distances à mesurer sont effectivement assez faibles dans le domaine de l’eau. Néanmoins, alors qu’Endress+Hauser a conçu son Micropilot FMR20 pour des mesures jusqu’à 20 mètres, et Kobold préconise ses NRM jusqu’à 23 mètres, d’autres ont fabriqué des modèles adaptés à des distances plus précises. Ainsi, Paratronic propose ses NRV420 ou NRV485 en version 3, 8 ou 12 mètres.

Le capteur 5408 d’Emerson est un transmetteur radar à deux fils conçu pour la mesure en continu des liquides  et des boues. La mesure est basée sur le principe d'un balayage très rapide d'onde continue à modulation 
de fréquence (FMCW).

La forme de l’antenne influe également. Qu’elle soit parabolique, conique, en cornet, en cierge ou en tige selon les fabricants, les performances ne sont pas forcément identiques. Tout dépend de la nature du liquide, de la forme et la taille du contenant. Après étude de la configuration de l’ouvrage à équiper, les fabricants proposent la solution la plus adaptée.

Xavier Buire, Chef de produits chez Emerson, Insiste sur l’importance de la technologie FMCW qui maximise la puissance du signal radar et produit une mesure robuste et fiable avec 30 fois plus de puissance sur la surface que les radars traditionnels à deux fils sans contact. « Plus que le temps de parcours de l’onde, c’est le temps de déphasage qui importe », explique-t-il. 

Le capteur 5408 d’Emerson est un transmetteur radar à deux fils conçu pour la mesure en continu des liquides et des boues. La mesure est basée sur le principe d'un balayage très rapide d'onde continue à modulation de fréquence (FMCW). Les signaux radar sont transmis en continu vers la surface du produit avec une fréquence de micro-ondes modulée sur une étendue d'échelle. Le niveau est proportionnel à la différence de fréquence entre le signal actuellement reçu et le signal transmis.

Liquides, poudres, mousses

Evidemment, dans le secteur de l’eau, la mesure le niveau ne concerne pas que l’eau. Les stations d’épuration notamment industrielles utilisent par exemple de la chaux pour ajuster le niveau de pH et l’alcalinité des process de coagulation, de floculation et de traitement biologique. La chaux est stockée dans un silo conique haut et étroit, dont on mesure le niveau en continu. Mais la très faible constante diélectrique de la chaux (1,6) en fait un produit très peu réfléchissant. Il faut alors mettre en œuvre des capteurs radar spécifiques comme l’Optiwave 6500 de Krohne, le Vegapuls 69 de Vega, la gamme de radars sans contact Magnetrol comprenant le modèle de base R96 (6 GHz), le modèle économique R82 (26 GHz) et le modèle haute gamme R86 (26 GHz, polarisation circulaire) commercialisé parmi d’autres par Fuji Electric, ou encore le FMR67 d'Endress+Hauser, et éviter les capteurs développés pour des produits dont la constante diélectrique est supérieure à 1,9.
L’Optiwave 1400 de Krohne est un transmetteur de niveau radar 24 GHz pour les liquides dans les applications eau et eaux usées. Il convient pour la mesure de niveau sans contact et en continu pour les sources, rivières, lacs ou eau de pluie, eaux usées, boues et autres liquides dans les applications de stockage.

La précision des mesures avoisine aujourd’hui les deux millimètres. Mais attention : pour les fluides de faible constante diélectrique (solvants, gaz liquéfiés…), la technologie radar occasionne une zone d'imprécision de dix à quarante centimètres selon les modèles, car l’antenne du radar génère un bruit de fond qui rend le capteur moins sensible dans cette zone. « Ce n’est pas le cas de l’eau, de fort diélectrique, avertit Luc Heusch. Les radars 80 Hz sont capables de mesurer jusqu’à l’antenne ». Les performances désormais atteintes permettent la mesure de niveau sur des effluents composés de mousses ou de graisses, grâce au réglage automatique de la sensibilité et aux algorithmes des traitements du signal qui ont beaucoup évolués. Ces différents capteurs fonctionnent à des gammes de température allant de -196 °C à 200 °C mais dans le secteur de l’eau, le fluide est la plupart du temps à température ambiante. Même dans le cas des eaux usées, il est toujours inférieur à 80 °C. C’est la même idée qui guide les constructeurs au niveau de la pression (généralement de 1 à 3 bars). Pourtant, certains constructeurs comme Endress+Hauser avec son Micropilot FMR51 et Vega avec son Vegapuls 62, assurent leurs produits jusqu’à 450 °C et 160 bars mais spécifient que l’utilisation est réservée aux cas extrêmes dans l’industrie du pétrole, du gaz et de la chimie.

Le Type 8139 de Burkert est un capteur de niveau radar particulièrement adapté à la mesure de niveau de liquides agressifs, avec des avantages particuliers pour les petits réservoirs.

La restitution du signal de mesure est disponible le plus souvent en courant 4/20 mA ou Modbus RS485 pour les capteurs Paratronic ou Kobold, avec en plus un choix en SDI12 pour la nouvelle gamme de Vega (Vegapuls C) ou Profibus et Fieldbus pour son WL 61. Les données peuvent être facilement récupérables par tout type de poste local (API, télégestion, etc.).

Des capteurs en voie de miniaturisation

La taille des capteurs se réduit sans cesse : « La gamme NRV est miniaturisée par rapport à la gamme CR420 puisque le volume du produit a été divisé par huit », s’enorgueillit Alain Cridel, directeur commercial de Paratronic. En effet, les capteurs radars NRV se présentent sous la forme d’un petit boitier de 12 x 12 cm de côté et de seulement 4,5 cm d’épaisseur alors que les dimensions de la gamme CR420 étaient de 30 x 22 x 8,5 cm. Cette miniaturisation permet au NRV de trouver facilement sa place dans les postes de relèvement et les réseaux d’assainissement.
La faible consommation du NRV de Paratronic permet son utilisation dans des sites dépourvus d’énergie. Le temps de chauffe est de seulement 2 secondes ce qui permet d’augmenter fortement l’autonomie des data-loggers ou des systèmes d’acquisition autonomes.

De son côté, Vega va présenter en ce mois de novembre 2019 une nouvelle gamme de capteurs radar encore plus compacts, les Vegapuls 11 (portée 8 m), 21 (portée 15 m) et 31 (portée 15 m + afficheur intégré). Leur poids a suivi ce mouvement de miniaturisation. Il s’est allégé de moitié en 10 ans.

La consommation électrique est faible et provient surtout de la chauffe de l’appareil. Le NRV de Paratronic chauffe ainsi en 2 secondes, ce qui permet d’augmenter l’autonomie des dataloggers auxquels il est relié.

Et la maintenance ?

Question maintenance, rien de plus facile. La plupart des capteurs de niveau radars étant homologués IP68, ils résistent très bien à l’eau et peuvent être immergés pendant 100 jours sans problème. Reste à nettoyer l’antenne comme on le fait pour des lunettes de vue.
Honeywell SmartLine SLG700 émetteur intelligent radar à ondes guidées pour la mesure de niveau. Les transmetteurs de niveau de la série SLG 700 de Honeywell sont dotés de la technologie de niveau de radar à ondes guidées par réflectométrie temporelle (TDR). Immunisés contre les changements de conductivité, de densité, de pression et de température, ils offrent une précision, une stabilité et une applicabilité adaptées à une variété d'applications de niveau et d'interface.

Enfin, le nerf de la guerre, le coût. Longtemps associés aux capteurs chers par rapport aux autres technologies, ce n’est plus le cas aujourd’hui. Le prix des composants a en effet chuté grâce à l’essor des capteurs de distance dans le secteur automobile, ce qui a profité aux constructeurs de capteurs radar pour les mesures de niveau. Il est aujourd’hui inférieur à 1.000 euros (avec des différences du simple au double) alors que le premier capteur radar Vega 4 fils à 5,6 Ghz coûtait 35.000 francs en 1991 et encore 8.000 francs en 1997.

Vega sort au mois de novembre 2019 une nouvelle gamme de capteurs radar encore plus compacte, les Vegapuls 11 (portée 8 m), 21 (portée 15 m) et 31 (portée 15 m + afficheur intégré). Leur poids a suivi le mouvement de miniaturisation. Il s’est allégé de moitié en 10 ans.

Fort de ses atouts et du prix aujourd’hui compétitifs de ces instruments de mesure, le marché des capteurs radars est en pleine explosion. Vega annonce ainsi une multiplication par trois des ventes de son Vegapuls 64 en seulement 3 ans.

L'Optiwave 6500 de Krohne est un transmetteur de niveau radar FMCW 2 fils 80 GHz pour les applications exigeantes présentant des poudres, dans des atmosphères poussiéreuses. Grâce à son faible angle d'émission, ce radar est bien adapté aux mesures de niveau sans contact en continu dans les silos élevés et étroits, les trémies ou les conteneurs de stockage à tampon jusqu'à 100 m.

 « Globalement, le marché français est 2,5 fois plus petit que le marché allemand. Mais dans le secteur de l’eau, nous sommes à égalité », déclare Luc Heusch. Le marché global représente quelques dizaines de milliers d’unités par an. « Ce chiffre a quasiment doublé en 5 ans du principalement à la mise en œuvre de l’autosurveillance des réseaux d’assainissement » renchérit Damien Jacquier.

L’avenir immédiat du radar semble donc florissant dans le secteur de l’eau.