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MESURES 804 - AVRIL 2008 - www.mesures.com 25 S olutions NIVEAUMÉTRIE La technologie radar vise tous les niveaux Demandez aux fabricants d’instruments en niveaumétrie sur quels développe- ments ils travaillent, la réponse est quasi unanime : le radar. Le radar sous toutes ses formes en émission libre ou filoguidé. Sur les liquides ou les solides, dans des petites cuves ou des grands silos, on peut désormais mettre du radar partout. Les fournisseurs ont travaillé sur des évolutions de leurs équipements qui ne se voient pas forcément du premier coup d’œil. Les électroniques et traitements du signal ont permis d’améliorer la sensibilité, d’ignorer les échos parasites et de mieux sup- porter les environnements difficiles : température, pression, poussières, mousses, agitation… Autant d’arguments techniques auxquels s’ajoute, celui plus écono- mique, de la baisse du prix. B ien sûr, il existe une bonne dou- zaine de principes physiques per- mettant de déterminer la hauteur d’un volume dans une cuve : du flotteur au capacitif, du plongeur au conduc- tif, de la pression hydrostatique aux ultrasons en passant par le pesage… Toutes ces tech- nologies existent encore, avec leurs avantages et leurs inconvénients. Elles ont leurs mar- chés… Mais la grande tendance en niveau- métrie est encore et toujours : le radar. « Il y a quelques années, c’était une tendance voulue par les fournisseurs, souligne Guy Deiber, res- ponsable marketing chez Vega. Chacun d’entre nous faisait la “promotion” du radar. » Aujourd’hui, c’est le marché qui vient au radar. Les indus- triels l’adoptent progressivement, oubliant ainsi les premières craintes et les premières erreurs. En plus de dix ans, la technologie a donc su se faire connaître et reconnaître. Au point de devenir l’une des principales technologies en mesure de niveau. Selon une étude au niveau mondial réalisé par le cabinet d’études Arc Advisory, la crois- sance du marché des équipements radars pour la mesure de niveau, devrait se pour- suivre : près de 6 % par an pour les cinq prochaines années. Ce marché qui s’est élevé à 316 millions de dollars devrait ainsi attein- dre les 421 millions de dollars en 2012. Un marché en mouvement Cette expansion de la technologie radar se situe dans un contexte plutôt positif pour la niveaumétrie. Selon l’avis des fournisseurs, la mesure de niveau se porte bien. Sur les sites industriels la tendance générale est à la sécurisation. Si elle permet d’éviter à quel- qu’un de grimper sur un silo, les industriels n’hésitent plus à s’équiper d’une instrumen- tation électronique. Mesures en redondance ou même surveillance des points qui ne l’étaient pas du tout. « Il y a encore des domaines, par exemple en extrusion plastique, où les cuves de matières premières n’étaient jusqu’à présent pas du tout contrôlées », précise Guy Deiber (Vega). Pour des raisons économiques, la gestion en flux tendu des stocks incite à mieux sur- veiller les niveaux pour ne remplir que les cuves quand cela est vraiment nécessaire. « Nous avons connu trois années consécutives d’une croissance voisine de 15 %, poursuit Guy Deiber (Vega). Chez Endress+Hauser, on partage le même sentiment : « En niveau, nous avons tou- jours une croissance à deux chiffres », souligne Xavier Buire, responsable produits niveau. Cela fait des envieux. Les fournisseurs d’ins- trumentation et de contrôle de procédés, qui jusque-là n’avaient pas fait de la niveaumétrie une priorité, investis- sent aujourd’hui sur ce paramètre soit par des développements inter- nes soit par des acqui- sitions. En juillet 2007, Honeywell a repris, pour 260 millions de dol- lars, la société Enraf, détenue jusqu’ici par la société hollandaise Delft Instruments. Enraf qui réalise 130 mil- lions de dollars de chiffre d’affaires est plus particulièrement spécialisée dans l’ins- trumentation de ni- veaumétrie pour les applications de con- trôle et de la gestion des opérations de transport, stockage et mélange dans les in- dustries du pétrole et gaz. Il y a trois ans, en 2005, Emerson Process Management rachetait Mobrey, spécialisée dans les mesures de ni- Le marché de la mesure de niveau se porte plutôt bien Dans le marché de la niveaumétrie, la technologie radar est en pleine expansion Il existe en réalité deux grandes technologies radars : le radar à émission libre, le radar filoguidé La premier a l’avantage d’être sans contact La seconde est beaucoup plus facile à installer, ne nécessitant pas l’analyse d’échos parasites Les dernières évolutions apportées par les fournis- seurs portent beaucoup sur le traitement du signal Elles permettent notamment d’élargir le spectre d’applica- tions vers les produits à faible constante diélectrique et plus particulièrement pour les vrac et pulvérulents Le prix d’un radar est aujourd’hui presque compétitif L’essentiel

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S olutionsNIVEAUMÉTRIE

La technologie radar vise tous les niveauxDemandez aux fabricants d’instruments en niveaumétrie sur quels développe-ments ils travaillent, la réponse est quasi unanime : le radar. Le radar sous toutes ses formes en émission libre ou filoguidé. Sur les liquides ou les solides, dans des petites cuves ou des grands silos, on peut désormais mettre du radar partout. Les fournisseurs ont travaillé sur des évolutions de leurs équipements qui ne se voient pas forcément du premier coup d’œil. Les électroniques et traitements du signal ont permis d’améliorer la sensibilité, d’ignorer les échos parasites et de mieux sup-porter les environnements difficiles : température, pression, poussières, mousses, agitation… Autant d’arguments techniques auxquels s’ajoute, celui plus écono-mique, de la baisse du prix.

Bien sûr, il existe une bonne dou-zaine de principes physiques per-mettant de déterminer la hauteur d’un volume dans une cuve : du

flotteur au capacitif, du plongeur au conduc-tif, de la pression hydrostatique aux ultrasons en passant par le pesage… Toutes ces tech-nologies existent encore, avec leurs avantages et leurs inconvénients. Elles ont leurs mar-chés… Mais la grande tendance en niveau-métrie est encore et toujours : le radar.« Il y a quelques années, c’était une tendance voulue par les fournisseurs, souligne Guy Deiber, res-ponsable marketing chez Vega. Chacun d’entre nous faisait la “promotion” du radar. » Aujourd’hui, c’est le marché qui vient au radar. Les indus-triels l’adoptent progressivement, oubliant ainsi les premières craintes et les premières erreurs.En plus de dix ans, la technologie a donc su se faire connaître et reconnaître. Au point de devenir l’une des principales technologies en mesure de niveau.Selon une étude au niveau mondial réalisé par le cabinet d’études Arc Advisory, la crois-sance du marché des équipements radars

pour la mesure de niveau, devrait se pour-suivre : près de 6 % par an pour les cinq prochaines années. Ce marché qui s’est élevé à 316 millions de dollars devrait ainsi attein-dre les 421 millions de dollars en 2012.

Un marché en mouvementCette expansion de la technologie radar se situe dans un contexte plutôt positif pour la niveaumétrie. Selon l’avis des fournisseurs, la mesure de niveau se porte bien. Sur les sites industriels la tendance générale est à la sécurisation. Si elle permet d’éviter à quel-qu’un de grimper sur un silo, les industriels n’hésitent plus à s’équiper d’une instrumen-tation électronique. Mesures en redondance ou même surveillance des points qui ne l’étaient pas du tout. « Il y a encore des domaines, par exemple en extrusion plastique, où les cuves de matières premières n’étaient jusqu’à présent pas du tout contrôlées », précise Guy Deiber (Vega). Pour des raisons économiques, la gestion en flux tendu des stocks incite à mieux sur-veiller les niveaux pour ne remplir que les cuves quand cela est vraiment nécessaire. « Nous avons connu trois années consécutives d’une

croissance voisine de 15 %, poursuit Guy Deiber (Vega). Chez Endress+Hauser, on partage le même sentiment : « En niveau, nous avons tou-jours une croissance à deux chiffres », souligne Xavier Buire, responsable produits niveau.Cela fait des envieux. Les fournisseurs d’ins-trumentation et de contrôle de procédés, qui jusque-là n’avaient pas fait de la niveaumétrie une priorité, investis-sent aujourd’hui sur ce paramètre soit par des développements inter-nes soit par des acqui-sitions. En juillet 2007, Honeywell a repris, pour 260 millions de dol-lars, la société Enraf, détenue jusqu’ici par la société hollandaise Delft Instruments. Enraf qui réalise 130 mil-lions de dollars de chiffre d’affaires est plus particulièrement spécialisée dans l’ins-trumentation de ni-veaumétrie pour les applications de con-trôle et de la gestion des opérations de transport, stockage et mélange dans les in-dustries du pétrole et gaz. Il y a trois ans, en 2005, Emerson Process Management rachetait Mobrey, spécialisée dans les mesures de ni-

Le marché de la mesure de niveau se porte plutôt bien

Dans le marché de la niveaumétrie, la technologie radar est en pleine expansion

Il existe en réalité deux grandes technologies radars : le radar à émission libre, le radar filoguidé

La premier a l’avantage d’être sans contact

La seconde est beaucoup plus facile à installer, ne nécessitant pas l’analyse d’échos parasites

Les dernières évolutions apportées par les fournis-seurs portent beaucoup sur le traitement du signal

Elles permettent notamment d’élargir le spectre d’applica-tions vers les produits à faible constante diélectrique et plus particulièrement pour les vrac et pulvérulents

Le prix d’un radar est aujourd’hui presque compétitif

L’essentiel

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veau et densité. C’est déjà Emerson qui avait racheté à la fin des années 1990, la so-ciété Saab, alors l’un des rares fabricants d’équipements radars.« Même si, pour nous, la mesure de niveau n’est pas l’activité la plus importante dans notre gamme d’instrumentation, elle est en pleine expansion, sou-ligne Nicolas Odru, responsable produits Emerson Process Management. Nous avons des parts

de marché à récupérer, et comme le marché va vers le radar, chez nous le radar est donc en plein boum ! »Chez Siemens, il n’en va pas autrement. Le groupe allemand vient de développer une gamme complète en mesure de niveau radar par émission libre ou radar filoguidé pou-vant répondre à toute application sur liquide ou solide, sur des plages de température

allant de 190 à 400 °C. « C’est sur le radar que nous mettons aujourd’hui toute notre énergie », précise Christophe Barbier, responsable pro-duits et technologie niveau chez Siemens.Aujourd’hui, une offre globale en radar se construit à partir de deux principes voisins mais distincts. Le radar à émission libre et le radar filoguidé appelé aussi TDR pour Time Domain Reflexion. La première à apparaître sur

Selon une étude au niveau mondial réalisé par le cabinet d’études Arc Advisory, la croissance du marché des équipements radars pour la mesure de niveau devrait se poursuivre : près de 6 % par an pour les cinq prochaines années. Ce marché qui s’est élevé à 316 millions de dollars devrait ainsi atteindre les 421 millions de dollars en 2012.

Pour la vapeurLes ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière. C’est vrai dans le vide mais c’est faux lorsque le milieu propagateur est la vapeur. En effet, la pression et la température de certains gaz ou produits influencent directement le temps de propagation du signal. L’influence dépend de la polarisation de la phase gazeuse. Pour un produit polaire, c’est-à-dire un produit ayant un moment dipolaire permanent, la constante diélectrique de la phase gazeuse varie significativement sous haute température et haute pression. C’est le cas de l’eau, des solutions salines, de l’ammoniaque. Pour exemple, le coefficient diélectrique de la vapeur à 120 °C et 1 bar est de 1,005 (négligeable par rapport au vide) contre 1,19 à 264 °C et 50 bar. L’incertitude de mesure en radar filoguidé est alors de 19 % (les transmetteurs de pression différentielle ou plongeurs font encore pire). Le radar filoguidé Levelflex M d’Endress+Hauser intègre une compensation dynamique des effets liés aux variations de température et de pression. Un signal de référence à une distance connue est utilisé pour compenser l’erreur de mesure due au ralentissement de l’onde dans la vapeur. Lorsqu’un décalage apparaît entre le signal référence et le signal lu, le Levelflex M compense automatiquement l’indication de niveau d’eau dans la cuve. A 300 °C, l’incertitude de mesure n’est alors plus de 19 % mais de 2 %.

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le marché industriel a été la technologie radar à émission libre dans les années 90.

Rééquilibrage entre radar libre et radar filoguidéDans leur élan commercial, les fournisseurs ont présenté la technologie radar à émission libre comme la solution à toutes les applica-tions. Température, pression, poussières, hu-midité, mousse, les ondes électromagnéti-ques étaient, soi-disant, insensibles à tout. Le retour sur expérience n’a pas été toujours aussi simple. Pas aussi universelle que l’on a bien voulu le dire, la mesure par radar souf-fre quand même de quelques restrictions. Il n’est déjà pas inutile de rappeler qu’elle ne peut être utilisée sur des cuves métalliques. Elle peut rencontrer des difficultés de mesure sur des produits très moussants. Et même si les caractéristiques du produit n’influent ni sur la vitesse ni sur la fréquence de l’onde retour, une trop faible constante diélectrique atténue l’amplitude du signal qui devient difficilement exploitable. Avec un prix plutôt élevé, la technologie n’a pas connu immé-diatement l’engouement attendu par les fournisseurs.

A la fin des années 90, la technologie TDR tente alors de s’engouffrer dans la brèche. Krohne est le premier à développer ce prin-cipe issu du domaine électrique pour une mesure de niveau. Dans la théorie, une onde électromagnétique est émise et guidée le long d’une tige jusqu’à la surface du produit. En raison des caractéristiques intrinsèques de ce produit, les ondes vont se réfléchir en partie et retourner vers le capteur. On va alors mesurer le temps de parcours de l’onde. Certes, on revient à une technologie intru-sive avec les contraintes mécaniques de câbles ou de tiges. Mais le TDR qui « concentre l’onde autour de l’axe de la tige » est bien plus puissant qu’un radar à émission libre. Il peut alors s’appliquer sur des produits à constante dié-lectrique beaucoup plus faible (on atteint aujourd’hui une constante diélectrique de 1,1). L’onde traverse plus facilement les poussières, vapeurs, mousses… Canalisée sur une tige, l’onde utile à la mesure s’af-franchit des échos parasites. Les réglages de mise en service sont beaucoup plus simples qu’avec un radar sans contact. La technologie TDR est également moins chère. « C’est elle, la nouvelle méthode universelle », ont dit alors

Le TDR, même pour les équipements d’automatismesEn 2007, IFM Electronic a mis sur le marché un capteur radar à ondes guidées pour des équipements d’automatismes : machine-outil, machines à laver industrielles, équipements mécaniques, hydrauliques… partout où on a besoin d’une mesure de niveau sur un réservoir de petite taille. Amener le prix d’un capteur radar à ondes guidées à celui d’un capteur à flotteur : c’est l’objectif visé par IFM Electronic. « A environ 250 euros, nous nous situons au même niveau de prix qu’un capteur capacitif, souligne Claude Perrisset, chef produit chez IFM Electronic. Le flotteur, aux alentours de 150 euros dans sa version mononiveau, reste compétitif, du moins si on s’en tient qu’au prix. »La longueur de la tige en standard est de 26, 47 ou 72 cm. Si besoin est, la sonde peut tout simplement être raccourcie (coupée) par l’utilisateur et être adaptée à la cuve. On est loin des tiges de 30, 40 voire 60 mètres proposées par les fournisseurs d’instrumentation de process pour la mesure sur des cuves remplies de solides ou liquides. « Face au capteur à flotteur, le capteur radar gagne par sa fiabilité. Il supporte mieux les fluides chargés, précise Claude Perrisset. Sa tenue en température jusqu’à 80 °C lui donne l’avantage sur les capteurs capacitifs, et sa mesure n’est pas perturbée par les effets de colmatage ou la présence de mousse. » L’incertitude est évaluée à ± 5 % de la valeur mesurée et la répétabilité à ± 2 %.

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les précurseurs ! Il semble aujourd’hui que l’on assiste à une sorte de rééquilibrage entre les deux méthodes : l’une avec les avan-tages du sans contact, l’autre avec une meilleure “canalisation” de l’onde électro-magnétique ; 50 – 50, c’est grosso modo la répartition des deux technologies selon les fournisseurs historiques de ces deux types de mesure.Pour pallier les inconvénients déjà cités, les fournisseurs ont beaucoup travaillé.« Ces dernières années, d’un point de vue purement extérieur, les radars n’ont pas réellement changé,

précise Xavier Buire (Endress+Hauser). Pourtant, les technologies n’ont cessé d’évoluer, les algorithmes ont été améliorés et les aspects de sécurité optimale constamment travaillés. » Il est difficile de ren-trer dans les petits secrets de chaque électro-nique de chaque fournisseur.

Des améliorations qui ne se voient pas toujoursDisons que, au niveau du traitement du si-gnal, les améliorations portent notamment sur l’augmentation de la sensibilité d’émis-sion et de réception de l’onde électromagné-

tique. La qualité du rapport signal/bruit renforce le traitement des mesures dans des conditions difficiles. Un radar sans contact aujourd’hui est beaucoup moins sensible que les équipements de première génération à la présence de mousse, de vapeur, ou de poussières. Il tolère davantage les turbulences dues aux mécanismes d’agitation ou d’ho-mogénéisation de mélange.Il est également possible de travailler en présence de faible diélectrique et sur de plus longues distances. Certains fournis-seurs proposent des gammes de mesures

Aujourd’hui, certains équipements exploitent deux types de signaux : ceux en mode direct et ceux qui n’ont pas été réfléchis

par la surface. Ceci permet d’apprécier et de compenser en permanence une variation de la constante diélectrique. Cette compensation peut s’avérer utile notamment sur des poudres

dont les caractéristiques diélectriques varient selon qu’elles sont plus ou moins tassées, plus ou moins humides

Recourant à la technologie à deux fils, le Sitrans LR260 de Siemens utilise un traitement de l’écho par Process Intelligence et technologie d’impulsions 25 GHz. Il est destiné aux mesures de niveau de presque tous les types de produits en vrac, dont la poudre de ciment, les cendres volantes, le charbon, le plâtre, la farine, les céréales, les granulats et les plastiques…

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jusqu’à 35 voire 40 mètres. Quelques-unes vont même jusqu’à 70 mètres. Un autre axe de développement a porté sur l’élimination des échos parasites. Dans une certaine limite, cet inconvénient peut être minimisé par la forme de l’antenne. Mais il s’agit le plus sou-vent d’une combinaison d’amélioration hardware/software : amélioration de la forme de l’antenne, optimisation de la foca-lisation de l’antenne, fréquence et puissance de l’onde. Et puis, là encore, le traitement du signal. « Un appareil radar c’est comme un appa-reil photo, explique Christian Jay, responsable

produits chez Krohne. Il voit tout ce qui se passe devant. » Un canal en fond de cuve, un renfort sur les côtés, un piquage, tout élément réflé-chit l’onde et apporte ainsi sa contribution à la réponse du capteur. C’est pour cela qu’il est nécessaire de faire un spectre de la cuve à vide et d’analyser tous les échos qui arri-vent jusqu’au capteur mais qui n’ont rien à voir avec le niveau. Aujourd’hui, les traite-ments analysent en continu et en temps réel le signal pour en soustraire les ondes en pro-venance d’éléments réfléchissant et ne re-tiennent ainsi que le signal lié au niveau.

TDR, une mise en service bien plus simplePour la technologie TDR, les choses sont bien plus simples. Pour conserver l’image de l’ap-pareil photo, c’est comme s’il visait à l’inté-rieur d’un tuyau. Il ne voit que ce qui se passe le long de la tige et s’affranchit ainsi des obstacles présents dans la cuve. Il est beaucoup moins sensible aux échos parasi-tes. « Il n’y a dont pas de nécessité de faire des ré-glages avant la mise en service, précise Christian Jay (Krohne). Ceci est un poids en moins considé-rable. » S’il n’y avait qu’un seul avantage à

La nouvelle série 5 300 de radars à ondes guidées de chez Emerson Process Management est équipée d’une technologie DST (Direct Switch Technologie) permettant d’obtenir un signal écho de deux à cinq fois plus important que la génération précédente.

Avec le Vegapuls 67, Vega tente de rendre compétitif la technologie radar dans l’industrie du vrac pour

les applications avec plages de mesure de moins de 15 m, grâce notamment à un système d’antenne

Planar qui permet de baisser les coûts de production.

En général, les sondes TDR coaxiales ne conviennent pas à une utilisation avec des liquides à viscosité très élevée.

Le transmetteur radar filoguidé Eclipse 705 de Magnetrol mesure des liquides dont la viscosité peut atteindre 1 500 cP.

Il utilise une sonde coaxiale élargie possédant un diamètre intérieur de 45 mm.

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retenir de la technologie TDR, ce serait sans conteste cette simplicité de mise en œuvre par rapport à un radar à émission libre. Le TDR garde également l’avantage sur les matériaux à faible constante diélec-trique. Là encore des évolutions ont été apportées.Pour “descendre” plus bas et permettre donc l’utilisation du radar sur des maté-riaux à très faible constante diélectrique, certains fournisseurs n’exploitent plus non seulement le signal réfléchi en mode direct mais également le signal absorbé par le pro-duit. Cette perte peut représenter, pour cer-tains produits, jusqu’à 98 ou 99 % de la puissance émise.Pour un radar à émission libre, ce signal qui pénètre dans le produit va se réfléchir en partie sur le fond de la cuve et parcourir le chemin inverse pour revenir sur le récep-teur. L’analyse en fréquence de ce signal par rapport à la fréquence du signal émis ini-tialement détermine aussi le niveau de la cuve. Pour un TDR, le principe est le même si ce n’est que l’on mesure le temps de re-tour du signal qui se propage jusqu’au bout

de la sonde. Ce temps diffère selon la hau-teur de la surface du produit. Avec l’utilisa-tion de ce signal non réfléchi par la surface, la technologie radar aujourd’hui supporte des constantes diélectriques de plus en plus basses jusqu’à 1,4, voire 1,2 pour un radar en émission libre, jusqu’à 1,1, avec un TDR. « Ceci permet d’aller sur des applications telles que des billes de polystyrène, souligne Christian Jay (Krohne). Il n’y a plus vraiment de limites techno-logiques en termes de constante diélectrique. »

Les capteurs de niveau radar deviennent plus abordablesCette évolution élargit les perspectives du TDR dans le domaine du vrac et des pulvé-rulents. Beaucoup de fournisseurs mettent l’accent sur les applications sur solide. Même si les chiffres montrent que la répar-tition des ventes reste toujours favorable aux liquides (80 % du marché).Les systèmes radars que l’on décrétait tou-jours trop chers ont su également se “démo-cratiser”. Le radar conserve une réputation de technologie chère. Cependant, là encore les choses évoluent. Les équipements sont

plus compacts et les composants plus sim-ples. Un équipement radar sans contact standard pour des hauteurs jusqu’à 15 mè-tres se situe aux alentours de 1 600 à 1 700 euros. Il concurrence presque un “gros ultrason” qui peut atteindre 1 200 à 1 500 euros. Pour des hauteurs de 70 mè-tres, on trouve des appareils aux alentours de 2 500 euros. Rien à voir avec les pre-miers radars qui dans les années 90 flir-taient avec le demi-million de francs.On dit toujours que le TDR est moins cher que le radar à émission libre. C’est peut-être vrai sur des applications simples. Avec un monocâble de 3 mètres de long, un TDR est moins cher qu’un radar sans contact. Lorsqu’il s’agit de résister à de fortes pres-sions mécaniques sur des longueurs de plus de 20 mètres, c’est à peu près pareil.La technologie radar fait aussi son entrée depuis quelques années dans le monde de la détection. Qui peut le plus, peut le moins. Classiquement, il est toujours possible de détecter un niveau par le temps de parcours ou l’affaiblissement du signal d’une onde électromagnétique.

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SWR présente une barrière micro-onde permettant la détection sans contact de ni-veau ou de limite de toutes matières solides ou vrac, ainsi que pour le positionnement des objets. Il comprend un transmetteur et un récepteur qui s’installe de part et d’autre d’un réservoir, d’une conduite, d’un puits ou d’une chute libre. Sa portée dépend de la version, soit 0-4 m ou 0-18 m. Des portées

plus élevées peuvent aussi être réa-lisées sur demande. Le détecteur peut être placé à l’extérieur de toute paroi non métallique. Par consé-quent, la mesure peut être séparée complètement du procédé, pour une utilisation des matières agres-sives, abrasives ou à gros grains.

Equipé d’un adaptateur, le ProGap fonctionne dans des conditions de température jusqu’à 220 °C ou de pression

jusqu’à 20 bar. Il s’installe aussi en zone explosive. L’ajustement sur

la matière s’effectue en établissant l’état de commutation et en ajustant la sensibilité et le temps de réponse convenable.

Détection par déphasage d’une onde électromagnétiqueLe détecteur LSM 020 de Baumer Process Instrumentation utilise le principe du dé-phasage d’une onde électromagnétique : celle-ci traverse la matière et revient vers l’an-tenne avec un déphasage variant en fonction

de la qualité diélectrique de la matière. Cette méthode s’applique à tous les liquides (eau, bière), fluides visqueux (miel, yaourt, den-tifrice) et même aux poudres et aux corps gras. La détection du niveau n’est altérée ni par les turbulences, les courants ou bulles d’air, ni par les dépôts ou particules solides, la mousse et la condensation. Les fréquences des micro-ondes envoyées, comprises entre 100 et 140 MHz, sont insensibles aux inter-férences dues aux vibrations parasites de l’environnement ou de l’installation (les pompes par exemple). Le détecteur peut être installé dans n’importe quelle position. Il bénéficie d’une construction exempte d’es-pace mort et résiste à des températures allant jusqu’à + 140 °C. Il s’adresse donc aux pro-cédés de nettoyage et de stérilisation. Le mo-dule LSM est destiné à la détection de niveau et la protection contre une marche à sec. Conçu en acier inoxydable, en polymère PEEK ou encore en Téflon (revêtement uni-quement), il vise les applications agro-alimentaires.

Marie-Pierre Vivarat-Perrin

Un signal est émis vers la surface du produit, un écho est réfléchi, puis réceptionné en retour. Grâce à la mesure du temps de propagation des signaux et connaissant la célérité (vitesse de propagation des ondes), l’électronique calcule la distance au produit. Les ondes sonores d’un ultrason se propagent à une vitesse de 330 m/s. De fait, les composants électroniques traditionnels suffisent à la mesure du temps de propaga-tion de l’onde ultrasonore. Les micro-ondes d’un capteur radar se propagent, quant à elles, à 300 000 km/s, la vitesse de la lumière. Les exigences posées à la mesure du temps de propagation sont donc énormes. Même des composants extrêmement rapides ne permettent que très difficilement la mesure du temps de propagation des micro-ondes (quelques ns sur quelques mètres !). On se sert donc d’une mesure indirecte du temps de propaga-tion pour réaliser la mesure de la distance. Dans la technologie radar actuelle, on utilise principalement deux principes : le principe FMCW et le principe à impulsions.

Dans le principe FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), un signal d’émission continu est modulé en fréquence. La comparaison du signal d’émission et de réception permet d’obtenir une différence de fréquence proportionnelle à la distance au réflecteur. Grâce à une analyse complexe FTT (Transformée de Fourier), le mélange des réflexions utiles et parasites est transformé en spectre de fréquences, puis analysé.

Le principe à impulsion utilise un procédé spécial d’échantillonnage pour dilater l’échelle de la mesure du temps de propagation, ce qui permet ainsi de mesurer directement le temps de propagation du signal micro-onde. Le procédé se caractérise par sa très faible consommation en énergie et des coûts moins élevés dans le traitement du signal.

Le principe TDR (Time Domain Reflectometry) s’apparente à un test de discontinuité le long d’une sonde. Le jaugeur de niveau émet des micro-impulsions électromagnétiques qui parcourent la sonde à la vitesse de la lumière. Lorsque celles-ci atteignent la surface du produit à

mesurer, elles sont immédiatement réfléchies et retournent au convertis-seur de mesure. Du fait de l’universalité de la vitesse de la lumière, elle reste constante que ce soit dans l’air ou d’autres gaz, et c’est la raison pour laquelle ce système ne nécessite aucune calibration et mainte-nance. La mesure TDR s’effectue sur la partie sèche de la sonde et par conséquent n’est pas influencée par les variations physiques des produits. La distance mesurée est directement proportionnelle au temps de parcours des micro-impulsions divisé par deux.Aujourd’hui, les fournisseurs proposent une gamme assez étendue de capteurs TDR. Parmi les variantes :

Câble ou tige : la tige est rigide, le câble est flexible. Le résultat de mesure est exactement le même. On préfère la tige lorsqu’il y a des turbulences dans la cuve qui pourrait entraîner le câble et le faire bouger en permanence. Les câbles sur les pulvérulents ou les solides limitent aussi les contraintes mécaniques et les risques de rupture. Sinon, c’est plutôt une question d’installation. Si la partie supérieure de la cuve est suffisante pour faire rentrer une tige rigide, on choisit plutôt la tige. Sinon, lorsque la cuve est très profonde ou la partie supérieure très basse, il faut se résoudre au câble.

Mono ou bi : la tige ou le câble peut être simple ou double. Les ondes se propageant le long de la tige forment une sphère (qui ressemble plutôt à un oval). Sur un axe simple, le diamètre de la sphère est d’environ 500 mm. Sur un axe double, il est environ réduit de moitié. Ceci permet à l’onde de passer là où le champ est étroit. On choisira un bi câble pour des cuves étroites, ou lorsqu’il y a de forts échos parasites.

Tige coaxiale : il s’agit d’une monotige placée dans un tube tranquil-liseur. Ce tube permet une continuité ohmique jusqu’au ras du raccord. Il n’y a donc pas de zone morte. Le coaxial est généralement réservé à des liquides propres (pour éviter l’obstruction du tube), on le retrouve notamment pour des cuves de gaz liquéfiés.

Sans contact ou filoguidé, comment ça fonctionne ?

SWR et Baumer Process Instrumentation exploitent la technologie radar pour la détection.

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