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Le radar, une technique quasi universelle

- Pratiquement indépendante du milieu, la technologie radar s'adresse à beaucoup d'applications. Lorsque la constante diélectrique du produit est trop faible, les radars filoguidés prennent le relais.

La mesure de niveau radar existe déjà depuis une bonne vingtaine d'années. À ses débuts, elle s'adressait plutôt aux produits à forte valeur ajoutée, notamment dans les cuves de stockage des produits pétroliers, applications pour lesquelles une précision millimétrique était recherchée. Son prix a été longtemps un obstacle à son extension à d'autres domaines. Cette barrière commence à se lever. « Aujourd'hui, une sonde radar démarre à 1 200 euros alors qu'elle valait au moins 3 000 euros en 1996 », indique Raphaël Brie, responsable produits niveaumétrie chez Endress+Hauser. La technologie radar a peu à peu investi le gros du marché de l'instrumentation, depuis la surveillance des cuves de stockage jusqu'aux réservoirs de process. À ses débuts, ce procédé passait pour être une mesure de niveau universelle. L'expérience du terrain a démontré que ce n'était pas tout à fait vrai. « Pour faire une bonne mesure de niveau, il faut vraiment voir ce qui se passe sur place. Il faut savoir où, comment, sur quoi et dans quelles conditions doit se faire la mesure. L'installation du capteur radar a également énormément d'importance », observe Serge Jay, promoteur produits de la division niveau chez Krohne. Pour pallier certaines lacunes du radar, Krohne a inventé en 1996 la technologie TDR (Time Domain Reflectometry). Les ondes ne sont pas émises librement dans la cuve mais y sont conduites par un câble ou une tige.

PAR ONDES LIBRES

> La mesure par la technologie radar est souvent comparée à la mesure par ultrasons. Le principe est simple. L'onde électromagnétique émise par le capteur se réfléchit sur la surface à mesurer puis elle est détectée à son retour par le récepteur. Contrairement aux ultrasons, la vitesse de propagation est largement insensible aux variations de température, de pression, de densité, de composition de gaz ou de mouvement d'air. « Alors que les ultrasons ont besoin d'un support pour être transmis (l'air dans le cas de la mesure de niveau), les ondes électromagnétiques peuvent aussi voyager dans le vide. La réflexion d'une onde électromagnétique dépend de la géométrie du réflecteur, de la distance à mesurer et surtout du coefficient diélectrique du produit », explique Raphaël Brie d'Endress+Hauser.

Le coefficient diélectrique (er) varie de 1 pour l'air à 80 pour l'eau à 20 °C. Ce paramètre influence directement l'amplitude de l'écho détecté après réflexion à la surface du produit dans la cuve. Cette amplitude est d'autant plus importante que le coefficient diélectrique est élevé. « Les produits de constante diélectrique de 2,5 tels que le toluène ou le benzène réfléchissent environ 5 % de l'énergie émise alors que les produits ayant un coefficient diélectrique de 80 tels que l'eau réfléchissent 65 % de l'énergie », rapporte Serge Jay de Krohne.

Balayage en fréquences ou mesure temporelle

Sur le marché de la mesure radar, deux technologies cohabitent. La technologie FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave pour onde continue modulée en fréquence) a été la première à être employée pour la mesure de niveau. Un balayage linéaire en fréquence de l'onde émise est réalisé entre 8,5 et 9,5 GHz. L'onde se réfléchit sur la surface du produit. On ne mesure pas un temps de transit mais une différence de fréquence. Plus la différence de fréquence par rapport à l'onde émise est importante plus la distance parcourue est grande. La technologie FMCW, inventée par Saab (rachetée par Emerson), s'intéressait aux gros réservoirs de stockage d'hydrocarbures et aux transactions commerciales, là où une précision millimétrique était nécessaire. C'est Krohne qui, en 1989, a extrapolé cette technologie aux applications industrielles non contractuelles.

La technologie par radar pulsé effectue, quant à elle, une mesure temporelle. Des trains d'ondes sont émis dans la cuve et leur temps de vol est mesuré après leur réflexion sur le produit. Les premiers radars travaillaient aux alentours de 6 GHz. En 2000, des appareils émettant à 26 GHz sont apparus sur le marché. « En augmentant la fréquence d'émission, on diminue la mécanique du capteur (le diamètre de l'antenne notamment) et on augmente la précision. Un capteur radar 6 GHz classique présente une incertitude de 1 cm alors qu'un modèle 26 GHz descendra à 3 mm », explique Roland Hell responsable produit chez Vega. À 6 GHz l'angle d'émission d'une antenne cornet de 100 mm de diamètre est de 30° alors qu'il n'est plus que de 8° à 26 GHz. Ainsi, la réduction du faisceau d'émission permet de réduire les réflexions parasites (sur les parois ou tout autre élément contenu dans la cuve) qui altèrent la qualité de la mesure. En effet, plus on focalise mieux, plus on localise la zone de réflexion sur le produit à mesurer. C'est l'une des raisons pour laquelle Emerson propose également un capteur radar FMCW à 24 GHz.

Autre avantage des plus hautes fréquences : du fait de la réduction de la mécanique, il existe toute une gamme d'antennes à raccord fileté. Celles-ci s'installent aisément sur une cuve alors qu'à 6 GHz, l'antenne doit être fixée par une bride. Toute une panoplie d'antennes est également disponible : l'antenne cornet en inox, l'antenne cornet encapsulée en PTFE pour la mesure de produits agressifs, l'antenne plate sous forme de disque d'une épaisseur de 4 mm en PTFE et l'antenne tige en inox ou en plastique (PTFE) qui ne présente aucune partie métallique en contact avec le produit, etc.

La technologie 26 GHz est malheureusement plus sensible aux environnements parasités. Lorsque le contenu de la cuve est très agité, la mesure à 6 GHz reste plus fiable. Si l'agitation dans la cuve est un peu trop forte, s'il y a beaucoup d'échos parasites (à cause des pales d'agitation, des serpentins de réchauffage ou encore des détecteurs) ou que la constante diélectrique du produit est faible (autour de 2), il reste la possibilité d'utiliser un tube tranquilisateur. Ce tube perforé, immergé dans la cuve, sert à la fois de puits tranquillisant et de guide d'ondes. L'onde réfléchie est alors guidée par ce tube et l'écho est ainsi amplifié. La mise en place d'un tube dans des réservoirs de grande capacité n'est pas toujours faisable et entraîne des coûts d'installation et de maintenance.

Par ondes Guidées

> Dans ce cas, le nec plus ultra est le capteur de niveau radar à ondes guidées. Les impulsions électromagnétiques ne sont plus émises en espace libre. Elles sont transmises sur un câble ou une tige. La sonde joue le rôle d'un guide d'impulsions. Par conséquent, le trajet des impulsions vers la cible à atteindre est beaucoup plus direct. Il n'est pas sujet aux phénomènes d'angles d'émission inhérents aux systèmes radar et ultrasons. « L'idéal pour nous est bien sûr de proposer des capteurs radar sans contact avec le produit. Mais, lorsque l'on veut améliorer le résultat, nous proposons plutôt la technologie TDR », indique Serge Jay de Krohne.

Les capteurs TDR conviennent aux produits à faible constante diélectrique. Ces instruments, dotés d'une tige ou d'un câble, mesurent le niveau d'un produit avec un coefficient diélectrique de 1,6 et jusqu'à 1,4 avec une version coaxiale (tige insérée dans un tube). Par ailleurs, dans les conditions optimales de mesure, ils offrent une précision millimétrique alors qu'elle est de l'ordre du centimètre avec les capteurs radar classiques. « Les capteurs radar filoguidés sont moins chers que leurs homologues à ondes libres car l'électronique de traitement est plus simple et ils se passent d'antennes », note Roland Hell de Vega. Malheureusement, la configuration de certaines cuves ou la présence d'hélices d'agitation empêche l'installation d'un câble ou d'une tige dans la cuve.

Mesure aussi le niveau de produits solides

Lorsque le passage d'une tige dans la cuve est possible, il faut s'assurer que le matériau qui la constitue est compatible avec le produit à mesurer. Pour ce faire, les fabricants proposent toute une panoplie de sondes réalisées en divers matériaux tels que l'Hastelloy, le Monel, le tantale ou encore le titane ou revêtues de PVC, de PVDF ou de FEP. La tige classique en inox répond toutefois à 90 % des applications. Quel que soit le matériau utilisé, les capteurs filoguidés ne conviennent pas aux produits trop abrasifs ou pouvant se colmater en gros blocs le long de la sonde.

Les capteurs TDR sont beaucoup moins sensibles à la formation de mousse à la surface du produit. Avec un radar, dès qu'il y a de la mousse, la mesure peut-être compromise. « Les ondes peuvent être absorbées, réfléchies ou transparentes à la mousse. Cela dépend de l'épaisseur de la mousse et de ses caractéristiques diélectriques. On ne peut assurer une mesure précise sans essayer », souligne Raphaël Brie d'Endress+Hauser. « Dans une cuve de bière par exemple, à partir de 15 cm de mousse, les capteurs radar ne sont plus adaptés alors que les systèmes TDR fonctionnent encore jusqu'à 50 cm d'épaisseur », indique Serge Jay de Krohne.

Les capteurs filoguidés se montrent également très efficaces pour la mesure de niveau de produits solides. Ils ont d'ailleurs été commercialisés à l'origine pour ce type d'applications. « Pourtant, les capteurs radar sans contact peuvent tout à fait mesurer des solides à constante diélectrique suffisante (ciment, charbon ou encore fer) et selon leur caractéristique granulométrique. Ce sont cependant des applications marginales », rapporte Roland Hell de Vega. 98 % des mesures par radar à ondes libres se font sur des liquides.

CARACTÉRISTIQUES

La Technologie radar Adaptée aux produits liquides ou solides à condition que leur constante diélectrique soit suffisante (er ³ 2) Mesure sans contact quasiment indépendante du milieu Adaptée aux produits corrosifs, poussiéreux et colmatants Moins adaptée aux produits moussants Insensible à la température et à la pression

CARACTÉRISTIQUES

Technologie radar filoguidé Adaptée aux produits liquides ou solides présentant une constante diélectrique même faible, à partir de 1,4 Mesure réalisée avec contact avec le produit Moins adaptée aux produits corrosifs ou très colmatants Mieux adaptée aux produits moussants que les capteurs radars Insensible à la poussière, la température et la pression

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