Tout ce qu’il faut savoir sur les capteurs de mesure de niveau radar
Les premiers capteurs de mesure de niveau radar étaient coûteux, volumineux et parfois complexes à mettre en œuvre. Grâce aux évolutions des technologies radio, ils ont, au fil des ans, gagné en compacité, en performances et en polyvalence tout en devenant accessibles à moindre coût.
Principes de fonctionnement des capteurs de niveau radar
La mesure de niveau radar est basée sur l'émission d’ondes électromagnétiques à partir d’une antenne, puis la réception de ces ondes réfléchies à la surface d'un liquide ou d'un solide afin de mesurer le temps de transit aller-retour ou un déphasage. Il existe des capteurs radar à ondes pulsées et des appareils mettant en œuvre des ondes modulées en fréquence (FMCW). Les premiers déterminent le niveau à partir du temps de propagation de l’onde radio. Historiquement moins coûteux car de moindre complexité, ils sont notamment appropriés pour la mesure de liquides présentant un diélectrique jusqu’à 1,6. Les seconds mettent en œuvre un signal dont la fréquence est modulée de façon linéaire dans le temps. Le déphasage entre le signal émis et le signal reçu permet de déterminer la distance parcourue. La technique FMCW fonctionne bien sur des produits présentant un faible diélectrique tels que certains pulvérulents.
Influence de la fréquence de l’onde électromagnétique sur la mesure
La mesure de niveau radar par la technique FMCW opère traditionnellement sur quatre gammes de fréquence distinctes : 6, 10, 24 et 80 GHz. A taille d’antenne égale, plus la fréquence est élevée, plus l’angle d’émission est faible et plus la plage de mesure peut être importante. Au fil des ans, les composants électroniques opérant à ces fréquences ont gagné en compacité et leur coût a fortement diminué, le prix des appareils ayant été divisé par trois en une dizaine d’années.
Plus la fréquence exploitée par le capteur de niveau radar est élevée, plus l'angle d'émission est faible. Le capteur de niveau radar LW2120 d'Ifm opérant à 80 GHz mesure le niveau de fluides liquides et pâteux jusqu’à 10 mètres.
La plupart des capteurs opère aujourd’hui à la fréquence de 80 GHz. Un radar opérant à cette fréquence présente un angle d’émission d’à peine trois degrés, avec un diamètre de faisceau à trois mètres de 70 mm contre 160 mm à 24 GHz. Cela permet d’éviter les réflexions parasites sur les éléments de renforcement des cuves ou les agitateurs. Cette focalisation garantit des résultats fiables même en présence de vapeur, de condensation, de turbulences ou de poussières. De plus, l’angle réduit permet d'utiliser des raccords de process de plus petites dimensions. Cette caractéristique, conjuguée à un gain de signal de 40 dB, permet d’effectuer des mesures de niveau jusqu’à 120 mètres et de remplacer les capteurs à ondes guidées sans avoir à installer de guide d’ondes dans la cuve. Toutefois, les fréquences de 6 GHz et 26 GHz restent plus efficaces sur certains produits comme les réfrigérants ou l’acétone, qui absorbent les ondes à 80 GHz.
Principaux avantages de la mesure de niveau par la technologie radar
Les capteurs radars FMCW réalisent des mesures sans contact avec une précision d'un millimètre sur une grande variété de produits. Les mesures sont insensibles aux variations de température, de pression et aux conditions météorologiques en extérieur. Ils sont faciles à monter et à démonter sans nécessiter l’arrêt du process, contrairement aux capteurs de pression en bas de cuve, ce qui élimine tout risque de fuite.
Le Micropilot FMR62B d'Endress + Hauser est un capteurs de niveau radar opérant à 80 GHz. Il est conçu pour la mesure de niveau continue sans contact pour les applications liquides exigeantes.
Les lentilles d’émission et de réception à 80 GHz sont planes, compactes et affleurantes. Leur faible zone morte permet d’effectuer une mesure fiable à proximité immédiate de l’antenne. De plus, les ondes électromagnétiques traversant les matériaux non conducteurs (plastiques, verre, céramique, briques réfractaires), il est possible de réaliser des mesures non intrusives à travers les parois de cuves contenant des produits agressifs. Les capteurs radar ont également l'avantage de ne pas être influencés par la couleur ou la réflectivité du produit mesuré.
Applications ciblées par les capteurs de niveau radar
Les capteurs radars FMCW opérant à 80 GHz sont adaptés à un spectre très large d'utilisations, allant des réservoirs d’huile de friture de 70 cm de profondeur jusqu’aux silos de poudre de clinker de 30 mètres de hauteur. Ils s'emploient aussi dans les cuves de relevage d’eaux usées où ils remplacent avantageusement les systèmes à flotteur.
Les capteurs radar ne conviennent cependant pas aux produits présentant un très faible coefficient diélectrique (inférieur à 1,2, comme les huiles de transformateurs), aux cuves fortement agitées ou encombrées, ni aux surfaces générant une mousse importante ou absorbant certaines fréquences. Des essais sont alors nécessaires. Hormis ces cas particuliers, un même modèle de capteur peut être employé quel que soit le produit à mesurer, la hauteur et le matériau de la cuve, en adaptant simplement le mode de piquage et de raccordement.
Principales évolutions des capteurs de niveau radar
Les fabricants ont mis l’accent sur l’ergonomie d’utilisation en dotant les appareils d’outils de réglage conviviaux. Sur certains modèles, l’utilisateur n’a que deux principaux paramètres à ajuster : la hauteur de la cuve et le mode de transmission des données. Une liaison sans fil Bluetooth facilite la mise en service, le paramétrage et la surveillance à distance sans devoir monter en haut du réservoir, et les configurations peuvent dans certains cas être stockées sur un cloud.
Les capteurs de mesure de niveau radar Vegapuls Air de Vega fonctionnent sur batterie et communiquent via les technologies sans fil NB-IoT/LTE-M ou LoRa.
Certains capteurs sont dotés de l’interface numérique standard IO-Link, tandis que d’autres modèles autonomes communiquent sans fil via les réseaux NB-IoT/LTE-M ou LoRa avec une batterie offrant jusqu’à 10 ans d’autonomie. Les appareils intègrent également des fonctionnalités avancées comme la détection de mousse, de colmatage ou l'auto-contrôle en ligne. Enfin, l’augmentation des fréquences s'est accompagnée d'une réduction drastique de la taille et de la masse des instruments, le poids d'un capteur étant passé de 15-20 kg il y a 25 ans à environ 2 kg aujourd’hui.
Publié par Youssef Belgnaoui, rédacteur pour Induportals.
