Mesure de niveau, où en est-on?

Dans le domaine des eaux usées ou potable, un paramètre est mesuré constamment: le niveau de l’eau ou d’autres liquides. En eaux usées, le bon fonctionnement des procédés de traitement impose de connaitre et de suivre en permanence le niveau des charges à traiter. La bonne gestion d’un réseau d’assainissement ou d’eaux pluviales nécessite également souvent le suivi très précis des postes de relevage successifs qui le composent. En traitement des eaux, la précipitation des phosphates dans le décanteur primaire s’effectue par l’ajout de chlorure ferrique dont le réservoir doit être surveillé afin qu’il ne soit jamais ni vide, ni trop plein afin d’éviter les débordements e ces produits nocifs pour l’environnement. Idem pour la chaux utilisée pour stabiliser le pH lors de l’élimination de l’azote et du phosphore. Les boues stockées sont déshydratées dans des cuves avant leur digestion. Leur quantité doit être surveillée. En méthanisation, les boues sont transformées en milieu anaérobie dans le digesteur et libèrent des gaz collectés et convertis en énergie électrique ou thermique. 

Là encore, un détecteur de niveau est utilisé pour éviter la pénétration de mousse au sein du process. Les boues, après fermentation, sont pompées afin d’être centrifugées et déshydratées. Ici encore il faut mesurer leur niveau pour optimiser le bon déroulement de ces procédés. En recyclage d’eaux industrielles, en réutilisation, les eaux récupérées sont redirigées vers les différents lieux de stockage ou de réutilisation. Leur hauteur est mesurée afin d’éviter tout débordement. 

Côté eaux industrielles, les mesures de niveau sont également omniprésentes. Il faut en effet connaitre en temps réel les volumes résiduels stockés dans des cuves ou des bassins à ciel ouvert. Idem dans les bassins-tampons qui assurent le fonctionnement continu des process industriels. Les pompes sont protégées des inondations et des fuites. Le niveau d’eau en entrée et en sortie des dégrilleurs qui tamisent les matières solides permet de déterminer leur encrassement et de déclencher leur nettoyage. Il en va de même pour les eaux pluviales. Le niveau de l’eau stockée dans les déversoirs d’orage doit être mesuré en continu, pour éviter tout phénomène de surverse qui devrait être géré et archivé. L’ensemble du réseau d’eau potable est aussi étroitement surveillé. 

Le niveau des sources profondes, des cours d’eau ou des lacs dans lesquelles elle est puisée fait l’objet d’une surveillance constante. C’est la même démarche pour le niveau des puits de captage profonds ou non, celui des filtres pour enlever les particules en suspension, des réservoirs de floculants ou des autres produits chimiques utilisés pour purifier l’eau ou stabiliser le pH, celui des réservoirs d’eau propre utilisés lors des pics de consommation. Evidemment les opérateurs doivent connaître à tout instant le niveau d’eau dans les conduites de transport et leurs stations de pompage, dans les réservoirs et les bassins-tampons. 

HYDROSTATIQUE : UNE VALEUR SÛRE POUR DES APPLICATIONS BIEN PRÉCISES 

Pour cela, de nombreux industriels et distributeurs proposent leurs instruments de mesure reposant sur des technologies différentes. Vega, Endress+Hauser, Krohne, Baumer, Bürkert, Isma, Kobold, Nivus, Wika, Keller, Engineering Mesures, Ijinus, Hitec ou encore Chauvin-Arnoux occupent ce marché. Avec des technologies aussi variées que la pression hydrostatique, le radar ou l’ultrason, les plus courantes dans le domaine de l’eau, mais aussi capacitives ou à flotteur comme les autres détecteurs de niveau limite que sont les interrupteurs à diapason avec fourche oscillante. La technologie la plus répandue reste la pression hydrostatique, où le niveau est mesuré suivant la pression exercée par le fluide. On la trouve surtout dans des endroits inaccessibles aux autres technologies comme les forages profonds, non verticaux ou très étroits. 

Pour Krohne, le capteur adéquat est ’Optibar LC1010. «Avec ses 22 millimètres de diamètre, il peut s’insérer partout», déclare Damien Jacquier, responsable eau, énergie, environnement chez Krohne. De son côté, Endress+Hauser propose toujours son FMX21, mais la société suisse a sorti l’année dernière son Waterpilot FMX11 avec une plage de mesure jusqu’à 20 mètres et une longueur de câble jusqu’à 30 mètres. 

«Pour des mesures en profondeur et dans des endroits inaccessibles, l’hydrostatique a un grand avantage», déclare Laura Greder, cheffe de marché environnement chez Endress+Hauser. Il est homologué pour les applications en eau potable et peut être utilisé dans les puits, les cuves de stockage, les châteaux d’eau, les barrages, les stations de surveillance, les lacs et rivières. 

Parmi bien d’autres références, Hitec propose de son côté sa sonde CP5240 entièrement téflonnée, auto-nettoyante, avec un câble en FEP qui permet de mesurer les niveaux dans les milieux les plus difficiles tout en conservant un bon niveau de fiabilité malgré des conditions chimiquement hostiles. Kobold, sa sonde NTB, qui se caractérise par des dimensions mécaniques très réduites et qui est facile à installer et particulièrement appropriée pour protéger les pompes immergées contre la marche à sec. 

Chez Sdec France, la sonde LevelTROLL 500 est constituée d’un corps de sonde de faible diamètre (18,3 mm) en titane résistant à pratiquement tous les milieux, même les plus corrosifs. Elle est dotée d’un capteur de pression relative en titane avec une précision de 0,05% de la pleine échelle (soit seulement +/- 1,75 mm pour une gamme de pression 0-3,5 m) et d’un capteur de température. 

ULTRASONS ET RADARS : À CHAQUE TECHNOLOGIE SES AVANTAGES 

La technologie hydrostatique est complétée par les techniques sans contact que sont les radars et les ultrasons. Pour ces derniers, un émetteur envoie une onde sonore vers la surface qui la réfléchit. Cette onde réfléchie est captée par un récepteur intégré au capteur. Le temps d’aller et retour est converti en longueur entre le capteur et la surface liquide. Connaissant la distance entre le capteur et la base du réceptacle, on obtient le niveau. La température influe dans certains cas sur le résultat, mais chaque capteur possède un correcteur automatique. 

C’est le cas, chez Endress+Hauser des CUS71D pour les clarificateurs, le capteur étant destiné à la mesure d'interface dans l'eau et les eaux usées. Vega propose quant à elle sa gamme Vegason, tandis que Bürkert fabrique son 8177, Magnetrol son R80, SDEC son capteur ultrason EchoFlo qui peut être déployé dans une large gamme d’applications (rivières, réservoirs, conduites à hauteur libre, canaux venturi…). 

Engineering Mesures distribue les émetteurs de niveau de la série SLG 700 qui comporte les mêmes fonctionnalités que les émetteurs de la famille SmartLine et fournit en plus avec l’intégration d’Experion® PKS, le plus haut niveau d'assurance de la compatibilité et des capacités d'intégration. De son côté, ABB vient d’ajouter à son catalogue le transmetteur de niveau à ultrasons LST200 qui se distingue par une conception modulaire, une interface conviviale et des algorithmes qui permettent de répondre aux exigences des industriels en matière de facilité d’installation, de mise en service et de maintenance, réduisant ainsi les coûts tout au long de la durée de vie du produit. 

Parmi ces algorithmes, on en trouve un qui permet de détecter et compenser automatiquement les instabilités du signal ultrasonique ce qui garantit une stabilité élevée, même là où il peut y avoir un écho de surface instable dû à la mousse ou à la turbulence. Ijinus dispose de son capteur LNU, d'étendue de 6 m (avec une discrétisation des échos en 1000 points), dont l'algorithme permet notamment de traiter les échos (afin de masquer les éventuels obstacles). 

Ces échos dits signatures acoustiques peuvent être automatiquement enregistrées lors de variation permettant ainsi de qualifier la mesure voire de l'optimiser. Emerson recommande son nouveau radar à onde libre 1208 qui offre une mesure de niveau robuste et compacte pour les applications extérieures avec un cout réduit grâce à son boitier en PVDF. Facile à installer grâce à sa connexion rapide M12, la communication en IOlink ou 4-20mA Hart apporte une intégration simple aux systèmes de contrôle commande existants. Le raccord 1,5"G ou NPT permet de l’adapter à une grande variété de connexion process. L’utilisation de la technologie FMCW (modulation de fréquence des ondes) à 80Ghz permet une mesure en continu et sur des applications où l’encombrement du piquage process est réduit. «C’est vraiment cette technologie qui, tout en réduisant la quantité de puissance nécessaire au fonctionnement du radar, donne un suivi continu du niveau tout en combinant un signal suffisamment puissant pour mesurer le niveau même avec des mousses ou des remplissages rapides» détaille le fabricant.

Mais, sans être universelle, la technologie qui tend à grignoter des parts de marché est le radar dont le prix des composants a chuté, une baisse occasionnée par le secteur de l’automobile qui les utilise désormais fréquemment. Comme l’ultrason, c’est une mesure de temps de réponse entre l’onde émise et l’onde réfléchie, mais au lieu d’une onde sonore qui se propage dans l’air à 330 mètres par seconde, c’est de la lumière qui n’a pas besoin de support physique pour voguer à 300000 kilomètres par seconde qui est envoyée. 

Cette absence de support matériel de l’onde électromagnétique a l’avantage d ’éviter la distorsion des ondes due au vent et autres mouvements de l’air à proximité des capteurs. La fréquence de l’onde lumineuse est importante car elle détermine la largeur du faisceau émis. 

Depuis quelques années, Vega développe une gamme complète de capteurs adaptés à la nature du fluide ou du solide à mesurer et suivant sa température ou sa pression. Ce sont les Vegapuls. Depuis plusieurs années, elle a choisi d’augmenter la fréquence de ses capteurs à 80 GHz au lieu des 6, 10 ou 24 GHz habituels. «Le résultat est que l’angle d’émission du faisceau a été réduit à 3 degrés au lieu des 8 degrés pour le 24 GHz. Le faisceau est ainsi beaucoup mieux dirigé vers la surface de l’eau en évitant mieux toute infrastructure intermédiaire qui gêne la ligne de visée», explique Luc Heutsch, responsable des ventes France chez Vega. Tout est fonction de la distance que l’on veut mesurer. Damien Jacquier tempère cet engouement pour le 80 GHz. «La surface de l’eau de 92% des postes de relèvement est à moins d’un mètre. L’angle d’émission intervient peu. La fréquence 24 GHz est bien suffisante, mais souvent le cahier des charges de l’opérateur notifie la fréquence des capteurs commandés. On s’y adapte». 

Ijinus commercialise depuis 2022 le cousin du LNU soit le LNR à technologie radar. Ce radar a une fréquence de 60 Hz, pour un angle de 4° mais surtout une discrétisation de l'écho radar supérieure à 2000. «Il est doté de la même technologie de traitement des échos mais intègre 3 éléments qui le distinguent de ses confrères : sa lentille est de fresnel (donc à bords plats vu de l'extérieur), le gain du radar est ajustable par l'utilisateur et enfin il contient un accéléromètre pour permettre à l'utilisateur de juger de sa verticalité de pose», expose Mathieu Zug, directeur scientifique et innovation. L’engouement vers la technologie radar est tel que, sur les plus de 20000 capteurs de niveau vendus en 2022, Vega s’enorgueillit de fournir 99% de ses capteurs en radar par rapport aux ultrasons. «Les seuls qu’on vend encore proviennent de clients qui ont passé commande avant de nous demander conseil», confie Luc Heutsch. Pour élargir les applications reposant sur le passage des ondes lumineuses, certains proposent des capteurs radar à ondes guidées. 

C’est le cas du Vegaflex 83 de Vega, du Rosemount 5300 d’Emerson, des Optiflex 1100 de Krohne, du 8188 de Bürkert ou de la gamme Levelflex FMP d’Endress+Hauser pour lequel les impulsions hyperfréquences sont guidées le long d’un câble ou d’une tige et réfléchies par la surface du produit. Ainsi guidées, les ondes parviennent au produit sans perturbation. La plupart des capteurs de niveau radar sont alimentés en filaire. Mais dans les canalisations ou dans certaines cuves, il n’y a pas toujours de source d’énergie disponible. C’est pourquoi Endress+Hauser a sorti son premier capteur autonome, le Micropilot FWR30 à 80 GHz. C’est un capteur IIoT, relié à Netilion, le Cloud d’Endress+Hauser.  «Question autonomie, nous évaluons à environ 10 ans la durée des piles suivant la fréquence des prises de mesures», assure Laura Greder. Pour l’optimisation et la gestion des réactifs, le FWR30 peut être vendu avec le logiciel Supply Care. 

Vega propose aussi de son côté des capteurs de niveau autonome avec sa gamme Vegapuls Air,en 80 GHz. SDEC France, ses sondes DIVER calibrées pour fonctionner dans une plage de température allant de 0 °C à 50 °C et peuvent être exploitées manuellement (la sonde est immergée via un simple câble de suspension) ou automatique (où la sonde est connectée à un modem GSM/GPRS via un câble de communication). «Les LNU et LNR d'Ijinus sont également autonomes en énergie et communiquants sans fil (data et étalonnage)», rappelle Mathieu Zug. 

PRENDRE EN COMPTE L’ENVIRONNEMENT DE LA MESURE 

Alors quelle technologie choisir ? Tout dépend de l’environnement de la mesure et de la nature du liquide ou du solide dont il faut mesurer le niveau. On l’a dit: seuls les capteurs de pression hydrostatiques sont à même de s’insérer dans les goulets étroits ou les forages de grande profondeur car ils ne sont pas sensibles aux réflexions parasitaires des parois. Ce sont aussi les seuls capables de mesurer avec précision des effluents très mousseux. 

Sur des applications en milieux naturels ou caractérisés par de forts gradients thermiques, le radar sera préféré aux ultrasons du fait des mouvements de l’air. 

«Il est aussi préférable en cas de vapeur», admet Olivier Bertrand, responsable du marché eau chez Bürkert, qui développe des capteurs de niveau radar avec un axe de développement principalement tourné sur le boitier de commande ainsi que le traitement du signal adapté. 

En revanche, en cas de condensation ou de glaces, les ultrasons seront plus efficaces, car ils éjectent l’eau du fait du choc qu’ils induisent sur les surfaces mouillées. Restent des technologies réservées à des applications bien précises. Pour les bassins de décantation où il faut mesurer le niveau du voile de boue, Krohne mise sur la mesure optique. «Avec un émetteur à 880 nanomètres, en proche infrarouge, l’Optisys SLM 3100 descend progressivement dans le liquide et y mesure la turbidité. Le voile de boue apparaît alors nettement sur la courbe récupérée. Cette technique est à même de résoudre efficacement le problème et d’éviter l’ajout inutile de floculants qui coûtent cher», explique Damien Jacquier. 

De même, la firme allemande a choisi la technologie des lames vibrantes avec son Optiswitch 5100 pour détecter des niveaux de pompes. Kobold exploite également cette technologie avec son NWS, qui au moyen d'un interrupteur de mode opératoire peut être réglé comme limiteur de niveau haut ou bas, et Bürkert son 8112. Des vibrations sont transmises à des lames en acier inoxydables par un cristal piézoélectrique. Si le produit entre en contact avec ces lames, les vibrations s’atténuent. Cette atténuation est détectée par le module électronique et est convertie en un signal tout ou rien par un contact inverseur libre de potentiel. «On en vend de moins en moins, mais les spécialistes des pompes ne jurent que par ça pour détecter soit des trop-pleins soit des risques de fonctionnement à sec», poursuit Damien Jacquier. 

Une pratique qui constitue une erreur pour Mathieu Zug ( Ijinus) «si on se place dans le domaine du réseau d'assainissement (collecteurs et postes), où la température est relativement stable et en absence de mousses, les ultrasons et les radar sont aussi efficaces que les autres technologies surtout à une distance de moins de 3 de la cible à mesurer». 

DES APPLICATIONS TOUJOURS PLUS NOMBREUSES 

Reste une tendance de fond: grâce à leurs équipes de recherches et développement, les fabricants de capteurs mettent régulièrement sur le marché des produits spécifiquement dédiés à des applications bien précises. L’avantage? Au-delà du seul principe de mesure, l’appareil intègre, dans sa conception comme dans sa mise en œuvre, l’ensemble des contraintes inhérentes à l’environnement de la mesure à réaliser. 

Avec l’assurance, pour l’exploitant, de disposer d’un instrument convenant parfaitement à ses contraintes et à ses attentes. Ces appareils, souvent dédiés à des applications de mesure courantes, ne requièrent qu’un budget restreint, ce qui les rend particulièrement adaptés à l’industrie de l’eau et des eaux usées. La modicité de leur prix les rend adaptés à de nombreuses mesures, que l’on pensait impossibles autrefois, mais qui peuvent être réalisées aujourd’hui. Ijinus propose ainsi une nouvelle gamme de capteurs de niveau et d’enregistreurs, autonomes et communicants localement en radio et à distance en 2G/3G/4G et NbIot. Ils sont particulièrement adaptés aux mesures dans des environnements difficiles mais servent aussi d'enregistreurs puisqu'avec leur connecteur il est possible d'y raccorder de nombreux capteurs comme des détecteurs de surverse, des mesures de vitesses doppler ou encore des paramètres physico-chimique. 

Autre axe de progrès, la mise en service qui tend à être simplifiée au maximum et s’effectue aujourd’hui en quelques étapes sans nécessiter de compétence particulière. Dans la plupart des cas, le réglage de l’instrument peut même être effectué directement sur site ou en usine. Ainsi les développements continuent. Krohne travaille sur un tout nouveau capteur dont les avantages permettraient de démocratiser la technologie radar un peu encore. Endress+Hauser équipe ses capteurs de radar FMR10 et 20 de la technologie Bluetooth pour un réglage à distance sur smartphone via l'application SmartBlue. De son côté, Vega a présenté ses premiers capteurs radars autonomes Vegapuls Air pour la mesure de niveau dans les domaines de la supply chain (stockage, transport), de la gestion des déchets et de l’eau (réseaux d’assainissement, avaloirs…). A suivre donc.