Mesure de niveau : des technologies pour chaque application

Mesurer un niveau dans le domaine de l’eau est relativement simple. Les trois technologies les plus couramment utilisées sont la mesure par pression hydrostatique et les technologies sans contact que sont les ultrasons (US) et le radar. Le choix entre ces trois procédés se fera en fonction de l’application, des possibilités d’installation, de l’environnement de la mesure,des fonctionnalités attendues et des éventuels autres paramètres recherchés. Chaque technologie a ses avantages mais aussi ses limites.

Capteurs hydrostatiques : irremplaçables sur de nombreuses applications

Les capteurs de pression hydrostatique, qui concernent encore une majorité des applications dans le secteur de l’eau, reposent sur la relation physique associant pression, hauteur et densité. La mesure de la pression détermine le niveau du liquide en fonction de sa masse volumique. On les trouve principalement sur des applications forages ou en surveillance de puits ou ils règnent en maîtres. Dans les piézomètres et forages de faibles diamètres, dans les forages profonds ou non verticaux, ce sont souvent les seules solutions techniques disponibles. Mais on les trouve également en industries de process dans la mesure ou les matériaux et les composants dont sont constituées ces sondes savent s’adapter aux fluides à mesurer tout en fournissant une mesure précise. Le choix d’une sonde de niveau hydrostatique dépend d’un grand nombre de critères, parmi lesquels le milieu dans lequel la sonde doit effectuer les mesures, la température, la densité, la longueur de câble, la nature du raccordement…etc. Emerson Process Management, Krohne, Hitec, Fuji Electric, Pepperl+Fuchs,  Jumo, GF Piping Systems, First Sensor, Baumer, Tecfluid, Vega ou encore Wika proposent des versions capables de résister à des pressions et à des températures très élevées. Compactes et autonomes, ces capteurs embarquent des enregistreurs de données et des transmetteurs. Avec une longueur de 90 mm et un diamètre de 18 mm, le Micro-Diver de SDEC est emblématique de ces capteurs capables de mesurer et d’enregistrer de manière autonome le niveau et la température des nappes souterraines. Une mémoire interne de 48.000 mesures par paramètre permet de réaliser des mesures toutes les 15 minutes durant un an. La CTD-Diver permet quant à elle de mesurer la conductivité, en plus du niveau et de la température. Au-delà des capteurs de pression et de température, elle embarque un capteur à 4 électrodes qui permet de déterminer la conductivité dans une large gamme de mesures (0-120 mS/cm) sans concession sur la compacité.

La sonde LevelTROLL 500 de SDEC France 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. Totalement autonome avec sa batterie et sa mémoire interne, elle dispose également de signaux de sortie 4-20 mA, Modbus ou SDI-12 pour connexion à un système de télégestion externe, pilotage de pompes, ... Ces caractéristiques en font la sonde de pression la plus polyvalente du marché s’adaptant à toutes les applications pour des mesures en eaux naturelles ou industrielles.

Chez Hitec, la CP 5215 assure la mesure, la surveillance et le pilotage du niveau de liquide (stable ou en mouvement), pour forages très étroits grâce à son faible diamètre de 15 mm et ce jusqu’à 100 mètres de profondeur et la nouvelle sonde CP5216 (16,5 mm de diamètre) jusqu’à 500 mètres de profondeur. Ces sondes sont équipées d’un câble de haute technologie, armé en Kevlar permettant d’être autoporteur sur de telles profondeurs. La mesure de niveau est réalisée par mesure de pression différentielle entre la surface du liquide et la position du transmetteur immergé. La pression est convertie en signal électrique par technologie piézorésistive et conditionnée en boucle 4-20 mA. Leurs membranes, comme leur électronique, toujours plus résistantes, et leur coût leur assure une position de choix sur de larges applications.

Les sondes hydrostatiques de First Sensors reposent sur des capteurs de pression longue durée en acier inoxydable ou en céramique, avec des plages de mesure à partir de 50 mbar. Les versions à membrane affleurante sont adaptées aux produits visqueux. Des revêtements spéciaux, par exemple le parylène, offrent une protection supplémentaire pour les environnements particulièrement difficiles. Les boîtiers des capteurs sont disponibles en versions soit très robustes, soit fins, avec un diamètre extérieur de seulement 21,8 mm pour les tuyaux de sonde et les réservoirs à petite ouverture. Les boîtiers sont réalisés en acier inoxydable ou en plastique PPS. La réalisation de boîtiers en titane est possible sur demande. Tous les signaux de sortie usuels en courant et en tension (4...20 mA, 0…20 mA, 0...10 V, 1...6 V etc.) sont disponibles. En option, First Sensor propose des interfaces numériques (RS-232, RS-485 etc.), des sorties de température ou encore des capteurs à protocole HART et agrément ATEX.

La protection contre les surtensions ou également contre la foudre est recommandée avant tout dans des applications de plein air. Les applications en puits profonds ou les mesures en champ libre en font partie. La protection contre les surtensions permet de protéger la sonde de niveau de destruction causée par un coup de foudre dans les eaux environnantes. Cette protection contre les surtensions est déjà intégrée dans certaines sondes de niveau comme par exemple chez Vega ou chez Jumo avec les Maera S28 et Jumo Maea F27.

Notons également que certains constructeurs se différencient des autres, dans le domaine des eaux usées. Endress+Hauser, Krohne ou Vega par exemple, commercialisent des capteurs hautement résistants à l’abrasion, au colmatage et aux surpressions. Cela grâce à leur gamme de capteurs à cellule de mesure céramique. La robustesse de ce matériau et son design arasant sont spécialement adaptés aux contraintes des eaux chargées. Ce matériau offre également une stabilité sur le long terme qu’aucune cellule de mesure métallique ne peut atteindre, et limite ainsi les interventions de réétalonnage.

Ultrasons et radar : à chaque technologie ses applications

Compacte, la mesure de niveau sans contact par ultrasons (US), reste proposée par de nombreux fabricants comme Endress+Hauser, Krohne, Aqualabo Contrôle, Cometec, Sick, GF Piping Systems, Siemens, SDEC, Vega ou encore Magnetrol, car c’est une technologie éprouvée et économique. Ses applications principales concernent le plus souvent la mesure de débit sur canal ouvert, la surveillance de niveau dans les réseaux d’eaux usées, la mesure de débit de surverse dans les bassins d’orage souterrains, la mesure de niveau sur les postes de relevage. Mais cette technologie est également mise en œuvre dans le cadre du contrôle des dégrilleurs.

Une seule sonde suffit pour jauger hauteur et débit. Son principe autorise le relevé du débit instantané et cumulé.

La sonde ou les sondes déportées sont reliées avec un transmetteur qui peut être distant de plusieurs centaines de mètres. La mesure ultrason offre une dynamique de signal élevée, avec l’avantage d’une configuration assez simple.

Le transmetteur US est aussi utilisé pour jauger le niveau sur les postes de relevage avec différents programmes de commande de pompes ou encore pour le contrôle de l’encrassement des dégrilleurs par une mesure des niveaux amont et aval.

En entrée et sortie de station, la mesure par ultrasons a fait ses preuves surtout dans le domaine de l’autosurveillance afin d’évaluer les débits sur canal ouvert. Le transmetteur affiche l’ensemble des informations utiles aux exploitants, aux organismes de contrôle et aux agences de l’eau telles que, hauteur de mesure, débit instantané, totalisation journalière et total cumulé sur une période donnée.

Installée à proximité de la surface, la mesure n’est pratiquement pas influencée par les conditions atmosphériques et délivrera un signal précis avec un contrôle du dispositif qui reste simple.

Chez Endress+Hauser, les capteurs à ultrasons sont préconisés pour les réseaux d’assainissement de petits diamètres ou les canaux étroits. Pour des raisons de standardisation du parc d’instruments, la technologie US peut être aussi utilisée sur l’ensemble des bassins que le fluide soit de l’eau, des boues, des huiles ou des additifs.

C’est la technologie à tout faire mais attention, elle a aussi ses limites et c’est là qu’intervient la mesure de niveau sans contact par radar proposée par Vega, Endress+Hauser ou Georg Fischer.

Basée sur la propagation d’ondes électromagnétiques, la précision de mesure d’un radar n’est pas influencée par les variations de température et les ambiances gazeuses. Autrement dit, si l’ensoleillement, le vent, les mousses, les gaz (H₂S, CH₄), les vapeurs, les condensats, le gel et les colmatages sont des paramètres qui influencent le principe de mesure US, en revanche les signaux radar sont insensibles aux conditions ambiantes avec des résultats fiables à toutes les températures.

« En outre, le radar se démocratise avec des systèmes disponibles aux environs de 400 € prix quasi équivalents à ceux des capteurs à ultrasons » souligne Christelle Hauer, Directrice du Marketing et de la Communication chez Endress+Hauser.

On choisira donc cette technologie lorsque les hauteurs de mesures sont importantes comme la surveillance des crues, les retenues d’eau, mais aussi lorsque le support propagateur des ondes n’est pas de l’air comme dans les digesteurs, les méthaniseurs ou les cuves de stockage de produits chimiques.

L’environnement de la mesure conditionne la technologie

Pour mesurer un niveau en présence de mousses, le radar demeure envisageable, mais, suivant le type de mousse, son signal peut décrocher et la mesure se perdre. Pour cette raison, en présence importante d’écume, dans les milieux encombrés d’objets générant des échos parasites ou les milieux étroits comme les puits de forage, il est préférable de retenir une mesure de niveau pendulaire par pression hydrostatique.

« Pour les eaux usées, optez pour une sonde à cellule céramique affleurant qui évitera la formation de dépôts avec un corps de sonde robuste qui évitera les balancements dans le milieu agité des postes de relevage. Naturellement, pour de l’eau potable, la sonde doit-être certifiée ACS » préconise Christelle Hauer.

La technologie radar des Micropilot FMR10 du constructeur allemand est miniaturisée et tient dans une main. Comme pour l’autre appareil de la gamme, le FMR20, est conseillé pour évaluer les grandes hauteurs, lorsque les variations de température sont importantes ou en présence de vent.

Ces radars sont entièrement surmoulés en PVDF (protection IP68) avec raccords face arrière et face avant pour un montage simplifié. Ils offrent la possibilité d’une configuration Bluetooth sécurisée. 

Bürkert développe également différents principes de mesure de niveau dans des domaines d’applications variés : détection de cuve vide, de fuite, sécurité anti débordement, protection du fonctionnement des pompes ou mesure des niveaux dans les cuves. « EchoSens est un émetteur ultrasons sans contact avec support intégré qui évalue avec précision des niveaux, des volumes et des débits. Des filtres numériques lui permettent de fonctionner en présence de mousse ou de liquides agités. Une sonde de température intégrée compense les changements de célérité du liquide et un logiciel interprète les mesures via un transmetteur intelligent » explique Nathalie Vautrinot, Chargée de Communication chez Bürkert.

« Nous proposons aussi RaySens est un émetteur radar qui mesure les niveaux en continu. Complémentaire des capteurs par ultrasons, cette technologie s’adapte aux liquides à surface mousseuse, avec vapeur ou dans des conditions poussiéreuses » poursuit-elle.

En mesure de niveau, le radar est le cheval de bataille de Vega qui aligne plus de 40.000 capteurs de niveau radar installés dans le monde tant pour des eaux propres que pour des eaux usées. Vu son prix très abordable, ce fournisseur propose même de remplacer les principes traditionnels de mesure de niveau par des radars. « Ses performances s’expliquent facilement de par la nature même du support physique qu’il utilise, explique Nadia Fara, Responsable Marketing et Communication chez Vega Technique SAS. En effet, il est fondamental de comprendre la différence entre onde ultrasonore et onde électromagnétique. Dans le premier cas, le son a besoin du support de l’air ambiant pour se propager. En revanche, l’onde électromagnétique n’a besoin d’aucun support. C’est pourquoi, le son peut être détourné par un courant d’air (vent), alors que le faisceau lumineux d’une lampe électrique restera visible de la même façon en plein vent ou par temps calme. Il en est de même pour les appareils de mesure. Un capteur à ultrason mesurera moins bien en pleine bourrasque que par temps calme, alors qu’un courant d’air n’aura aucune incidence sur un capteur radar. De plus, un capteur à ultrason peut-être être perturbé par des toiles d’araignées, des nids ou des branchages ». Autre atout du radar, sa vitesse de propagation. En effet, si les ondes ultrasonores se propagent seulement à 330 m/s les ondes électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière (300.000 km/s). « En mesure de sa position, cette célérité permet au capteur de niveau de fonctionner efficacement avec une meilleure plage de mesure et surtout pour une zone de blocage, ou plage morte nettement plus faible » souligne Nadia Fara, Responsable Marketing et Communication chez Vega Technique SAS.

De plus, la configuration, la commande et le diagnostic des radars se sont simplifiés. Chez Vega, les Vegapuls WL S61, sont équipés en standard d’une communication Bluetooth permettant de configurer ou vérifier un point de mesure, à distance, via un simple smartphone, une tablette ou un PC portable. « Il n’est plus nécessaire de monter sur les ouvrages, les silos, les cuves ou de démonter les capteurs installés sur des potences pour se raccorder au boîtier », souligne Nadia Fara.

La communication est sans fil, avec une portée de 25 m. Chez Endress+Hauser, les Micropilot FMR10 et FMR20, compacts grâce à un composant RF unique, sont munis d’un dispositif Bluetooth® sécurisé, même en zone explosible. 

Proposés à un prix très proche des instruments de mesure de niveau plus traditionnels, ces capteurs radars peuvent se configurer facilement et rapidement via l’APP SmartBlue (iOS, Android) téléchargeable gratuitement. 

L’accès aux différents paramètres est intuitif et optimisé pour les applications dans le domaine de l’eau et des utilités industrielles. L’affichage de la courbe écho et son enregistrement se partagent par sms, e-mail ou sur les réseaux sociaux pour les plus connectés. Pour les techniciens ne disposant pas de smartphones ou tablettes, la configuration se fera tout aussi simplement par afficheur séparé RIA15 ou/et par le logiciel freeware DeviceCare sur la boucle 4-20 mA Hart. « Nous formons gratuitement nos clients avec réglage et mise en service des capteurs y compris paramétrage et commande de l’appareil via une liaison sans fil sur smartphone, tablette ou PC » ajoute Aurélia Genet, Chef de marché Environnement chez Endress+Hauser.

Reste que le paysage pourrait bien évoluer dans les prochaines semaines avec la présentation par Krohne d’une toute nouvelle gamme d’appareils en début d’année 2018.