Le radar est de plus en plus utilisé pour la mesure de niveau sans contact

Appareils à ultrasons ou à radar pour la mesure en continu du niveau dans les cuves

La technologie radar supplante de plus en plus le marché de la technologie ultrasonique. Les applications radar se diversifient également. Les appareils deviennent plus intelligents, plus puissants, plus simples, plus petits et moins chers. Alors que cette technologie était auparavant réservée aux grandes entreprises en raison de son coût élevé, elle est désormais plus accessible aux petites entreprises.

Mesure de niveau sans contact

La mesure des niveaux de remplissage dans les réservoirs, les silos... se fait, selon les applications, par l'une des nombreuses méthodes possibles: électromagnétique, capacitive, conductive, par fourchettes vibrantes... Dans certaines d'entre elles, la sonde entre en contact avec le produit dont on mesure le niveau de remplissage. Dans ces cas, des mesures doivent être prises pour éviter la corrosion, l'entartrage et/ou la contamination de la sonde de mesure.

Dans les appareils de mesure sans contact, ce n'est pas le cas, ou beaucoup moins. En outre, ils présentent l'avantage de ne pas comporter de pièces mobiles, ce qui les rend pratiquement exempts d'entretien. Les appareils de mesure sans contact sont d'ailleurs privilégiés dans les applications où le produit ne doit en aucun cas être affecté par le contact avec la sonde de mesure, notamment dans les industries pharmaceutique et alimentaire.

Nous examinons ci-dessous les deux méthodes les plus couramment utilisées pour la mesure sans contact du niveau de remplissage, à savoir les méthodes basées sur la technologie des ultrasons et les jauges à base de radar. Toutes deux sont basées sur le principe du temps de vol, où la durée des signaux émis est une mesure de la distance. En principe, ces deux technologies permettent de mesurer le niveau de remplissage des liquides et des solides.

Ultrasons

Principe et plage de mesure

Dans les détecteurs de niveau à ultrasons, un transducteur (une membrane piézoélectrique) convertit les signaux électriques en impulsions sonores. Cette conversion s'effectue à une fréquence située en dehors de la plage d'audition humaine (20 Hz à 20 kHz) - dans la plupart des cas, entre 20 kHz et 200 kHz. Dans ce cas, plus la fréquence est petite, plus la plage de mesure est grande. Quelques exemples: un appareil de mesure ayant une fréquence de 170 kHz et une plage de mesure allant jusqu'à 0,8 m, et un autre ayant une fréquence de 50 kHz et une plage de mesure de 12 m.

Avantages

Les indicateurs de niveau à ultrasons constituent depuis des années une solution rentable, en particulier pour les mesures effectuées dans des réservoirs à parois droites. Les propriétés telles que la densité, la conductivité et la constante diélectrique relative du produit dont le niveau de remplissage est mesuré n'affectent pas le résultat de la mesure. Les sondes de mesure à ultrasons peuvent également être dotées de degrés de protection, si l'application l'exige (par exemple IP68, ATEX, etc.).

Défis

Souvent, les ultrasons ne résistent pas aux variations des conditions du processus. Lors d'une mesure ultrasonique réussie, l'onde sonore revient vers le transducteur en ligne droite après avoir été réfléchie sur la surface du produit. Des facteurs tels que des vapeurs denses, des obstacles dans le réservoir (agitateurs, échelles), des turbulences, de la mousse et des surfaces de produit inégales affectent le signal de retour.

Grâce à des boutons d'apprentissage ou à un logiciel de programmation, toute interférence causée par des obstacles peut être supprimée de manière sélective à l'intérieur de la plage de détection (suppression de cible fixe). Les effets environnementaux jouent également un rôle. La propagation des ondes sonores dépend de la température, de la pression et de l'humidité relative. Plus la pression est élevée et plus l'humidité relative et la température sont basses, plus les ondes sonores se propagent lentement et plus la plage de détection est étendue.

Température

La température de l'air a la plus grande influence. Pour chaque variation de température de 1°C, la vitesse du son change de 0,18%. Des sondes de température internes sont donc utilisées pour compenser les influences de la température à la sortie du capteur. Toutefois, cela ne fonctionne que si le capteur et la plage de détection conservent pratiquement la même température ambiante. Si la différence de température entre la surface du produit et le capteur est trop importante, la compensation de température peut être plus néfaste que bénéfique.

C'est pourquoi la compensation de température doit pouvoir être activée et désactivée. Les influences de l'humidité ou de la pression atmosphérique sur le résultat de la mesure peuvent être prises en compte grâce à un paramètre d'étalonnage qui multiplie toutes les valeurs mesurées par un certain facteur afin d'ajuster légèrement le résultat.

Plus la pression est élevée et plus l'humidité relative et la température sont basses, plus les ondes sonores se propagent lentement

Signal émis plus faible

Il convient également de tenir compte de la constante diélectrique (CD), un critère du milieu qui détermine le degré d'intensité du signal réfléchi. Les émetteurs à ultrasons ont un signal émis relativement faible et risquent donc de ne pas être réfléchis si la valeur de la constante diélectrique devient trop faible.

Radar

Principe de mesure et portée

Les radars fonctionnent sur la base d'ondes électromagnétiques. Il en existe deux catégories. Alors que la technologie radar en tant qu'alternative n'a jamais été utilisée à grande échelle en raison de son prix, cela a changé avec l'apparition de composants plus compacts et moins chers.

Au départ, les radars n'étaient utilisés que dans des applications complexes - par exemple, dans de grands silos et réservoirs de stockage - mais aujourd'hui, grâce à l'émergence de ces composants plus compacts, ils sont également utilisés pour des applications simples et plus petites. Prenons l'exemple de la mesure du débit des eaux usées ou du traitement de l'eau. Les réservoirs de stockage sont les applications les plus simples.

Deux technologies de radar

Radar à rafales d'impulsions (Pulse Burst)

En matière de radars, il existe deux technologies, à savoir le radar à salves d'impulsions ou le radar à ondes continues modulées en fréquence (FMCW). Dans la technologie Pulse Burst, l'appareil fonctionne à partir d'une mesure de temps entre le signal émis et le signal retourné. Avec les radars à impulsions, le niveau de remplissage est mesuré par de courtes impulsions radar, envoyées depuis l'antenne située au sommet du réservoir.

Lorsque l'onde arrive sur un milieu dont la constante diélectrique ou diamagnétique est différente, les ondes se réfléchissent au niveau de la limite entre le produit et le milieu situé au-dessus (air, vapeur...). La différence de temps entre le signal émis et le signal reçu est directement proportionnelle à la distance et constitue la base du calcul du niveau de remplissage.

Radar à modulation de fréquence

La plupart des fabricants utilisent la technologie FMCW. Dans les radars à modulation de fréquence (FMCW), l'émetteur envoie en permanence un signal modulé et la distance est calculée à partir de la différence de fréquence entre le signal émis et le signal reçu à un moment donné.

Avec le radar FMCW, la fréquence est constamment modulée et la fréquence du signal émis sera différente de la fréquence du signal réfléchi. Ce type de radar offre une plus grande précision. Cette technologie permet d'émettre cinq fois plus de signaux qu'un radar à impulsions. Il en résulte un signal plus fort que les milieux à faible constante diélectrique peuvent mesurer.

Il existe un grand nombre de bandes de fréquences utilisées pour les radars. Le choix de la meilleure bande dépend des caractéristiques spécifiques de la bande de fréquence. Les fabricants proposent différentes fréquences dans la gamme des GHz (par exemple 6, 26 ou 80 GHz) pour couvrir différentes applications.

Pour la technologie FMCW, la fréquence universelle de 80 GHz est principalement utilisée. Cette fréquence est universelle et peut être utilisée pour de nombreuses applications. Cette fréquence permet également de filtrer facilement les pales d'agitateurs multiples. Si un radar est monté trop court contre un mur, la fréquence de 80 GHz est également adaptée à cette situation.

Avantages

La technologie radar robuste offre une grande précision. Le signal des radars est devenu plus puissant et plus stable au fil des ans. Grâce à un logiciel intelligent, une quantité relativement importante de données est extraite et le traitement des données devient de plus en plus fluide et rapide.

Par rapport à la technologie ultrasonique, la technologie radar est beaucoup moins sensible aux facteurs environnementaux, tels que la pression et la température, et se prête à des applications sous vide ou à haute pression, entre autres (à condition d'utiliser des boîtiers appropriés). Les ondes radar électromagnétiques sont insensibles à la vapeur, à la poussière, aux variations de pression, au vent, à la pluie et à la neige. C'est une grande différence par rapport aux ondes ultrasoniques, qui sont plus sensibles à ces éléments et donc plus déviantes, et donc moins précises.

Par rapport à la technologie ultrasonique, la technologie radar est beaucoup moins sensible aux facteurs environnementaux, tels que la pression et la température

Alors que le réglage des radars était complexe, il se fait aujourd'hui souvent sans étalonnage, on parle de paramétrage simplifié. Les réseaux LoRa sont utilisés. Grâce au Bluetooth, les radars peuvent également être contrôlés en douceur par un smartphone. Les radars sont devenus plus petits au fil des ans, en partie grâce à leurs antennes plus compactes, et s'intègrent donc plus facilement.

L'utilisation de composants ASIC rend ces radars moins chers, plus fiables et plus performants que les émetteurs à ultrasons. Un exemple est l'utilisation de puces (composants ASIC) qui remplacent une grande partie des composants SMT classiques. Cela rend la conception plus stable dans le temps et moins coûteuse à produire. Des puces dédiées sont en cours de construction.

Défis

Lorsque les ondes électromagnétiques émises atteignent un point présentant une permittivité ou une constante diélectrique (DC) différente (généralement à la surface du produit), seule une partie de l'onde est réfléchie. On applique souvent la règle selon laquelle la valeur DC représente le pourcentage d'énergie réfléchie. Par exemple, une DC de 6 signifie que 6% de l'énergie rayonnée est réfléchie vers l'émetteur.

Les produits ayant une constante diélectrique plus élevée fourniront donc des signaux de retour plus forts et donc des mesures plus adéquates. Les produits à faible constante diélectrique transmettent/absorbent largement l'onde électromagnétique. Il s'agit généralement de matériaux non conducteurs à faible teneur en humidité, tels que les poudres et les grains. Le radar peut détecter un grand nombre de ces matériaux, mais l'énergie des ondes réfléchies est si limitée qu'un alignement précis du radar par rapport au signal est essentiel.

Les ultrasons surpassés

La mesure de niveau sans contact s'effectuait traditionnellement par le biais de la technologie éprouvée des ultrasons, qui est également la première technologie sans contact. La technologie ultrasonique a été dépassée par la technologie radar dans plusieurs domaines. Par exemple, les ultrasons sont dans de nombreux cas techniquement plus faibles que la technologie radar et l'argument selon lequel les ultrasons sont plus abordables que le radar n'est plus valable, en particulier avec l'arrivée de composants radar plus compacts. Toutefois, il est conseillé de ne pas opter par défaut pour le radar, mais de peser soigneusement les avantages et les inconvénients des deux options en fonction de chaque situation.

En collaboration avec Krohne et Sick