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Les ondes sonores refusent certaines ambiances

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Les capteurs à ultrasons ont fait leur preuve pour la mesure de niveau. Mais la propagation des ondes sonores leur interdit certaines applications.

La mesure par ultrasons est la première technique utilisant le calcul du temps de parcours d'une onde pour déterminer le niveau d'un produit dans une cuve. Ce procédé de mesure sans contact est resté longtemps bien plus avantageux financièrement que son homologue mettant en oeuvre des micro-ondes. L'écart de prix est toutefois en train de se combler. « Aujourd'hui, le prix d'un radar est au moins 2,5 fois plus élevé qu'un appareil à ultrasons. Mais, à partir de gammes de mesures de 15 à 20 m, les prix des deux technologies se rapprochent », indique Roland Hell, responsable produits chez Vega. Chez Krohne, on prétend même que les prix s'inversent puisqu'un capteur radar d'une étendue de mesure de 20 m est vendu au prix d'un capteur ultrasons offrant une étendue de mesure de 10 m.

La mesure de niveau par ultrasons est une technologie largement éprouvée dans l'industrie. Elle fonctionne aussi bien sur les liquides que sur les solides et elle est insensible aux caractéristiques diélectriques du produit. Elle présente toutefois quelques limites. « Des variations de température importantes dans la cuve, des couches gazeuses non homogènes, la présence de nuages de poussière, font varier la vitesse du son et donc faussent le calcul de distance réelle », indique Raphaël Brie d'Endress+Hauser.

Le CO2 modifie notamment la vitesse du son de 15 %. Les variations de température influent sur la vitesse du son dans l'air d'environ 0,6 m/s par degré Celsius. D'où une erreur de 0,17 %/°C. Les capteurs compensent les variations de température dans la cuve. Mais en général, la mesure de température se fait en haut de la cuve et ne représente pas la distribution thermique sur toute la hauteur. « Même si on applique des coefficients de correction en tenant compte de gradients de températures, il y aura toujours des erreurs », assure Roland Hell de Vega.

Adapter la fréquence à la mesure

La formation d'une épaisseur de mousse pose aussi un problème. La mousse à la surface d'un liquide peut absorber ou réfléchir l'onde sonore et ainsi fausser la mesure. Si la surface du produit à mesurer n'est pas suffisamment plane, le son peut être réfléchi hors du champ de mesure de l'appareil. Si le liquide à mesurer est trop agité, une zone de "tranquillisation" devra être aménagée pour fiabiliser la mesure.

Les sondes d'émission et de réception des ultrasons sont des quartz piézoélectriques. La taille de l'élément piézo est d'autant plus importante que la gamme de mesures est étendue. Plus l'étendue de mesure est large plus la fréquence est basse. Les basses fréquences (10 à 20 kHz) traversent plus facilement les masses gazeuses, sont moins perturbées par la présence de poussières, de brouillard ou de mousse et sont adaptées aux longues distances. Les hautes fréquences (30 à 70 kHz) offrent une plus grande précision et sont adaptées aux petites plages de mesure. Elles sont cependant plus facilement absorbées par la masse gazeuse. En fait, comme le rappelle Roland Hell : « Dès qu'il y a de la vapeur ou un gaz autre que de l'air dans la cuve, il vaut mieux éviter les capteurs à ultrasons. »

CARACTÉRISTIQUES

La technologie ultrasons Adaptée aux produits liquides et solides Mesure sans contact Adaptée aux produits colmatants et corrosifs, moins aux produits poussiéreux Sensible à la pression et à la température Inadaptée aux ciels gazeux et aux produits moussants

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