Le radar, dont les coûts des compo¬sants ont tendance à baisser, fait une percée sur le marché aux côtés des capteurs classiques par ultra¬sons et par pression hydrostatique. Mais certaines technologiques plus classiques, telles que le flotteur, n?ont pas dit leur dernier mot.
Chez STS France, on n’est pas peu fier d’évoquer l'une des dernières innovations dans le domaine de la mesure de niveau. La gamme de sondes à pression hydrostatique DLN de ce fabricant accueille un nouveau venu : le DLN OCS (Open communicating system). Sa particularité, c’est d’être équipé d’un micro-ordinateur permettant de « faire tout ce que l’on veut ». « Le DLN OCS permet, lorsque l’on dispose déjà d’un parc de sondes concurrentes, d’installer une interface dans le système OCS afin de s’intégrer et même contrôler ce parc malgré que tout ne soit pas de la même marque », explique Thomas Husson, chez STS France. Actuellement, les salariés de la filiale française du groupe suisse se forment pour maîtriser cette technologie “complexe”.
La mesure de niveau est inhérente à la ges-
« Le suivi de niveau en bassin ou en réservoir est très important pour l'automatisme des systèmes (mise en route/arrêt de pompage, gestion de traitement…), explique Jean-Bernard Bardiaux, ingénieur et enseignant à l’ENGEES (voir encadré). On peut constater également que la mesure de niveau est de plus en plus utilisée pour estimer les flux. Le débit est une grandeur souvent difficile à mesurer directement et trouver un lien entre débit et hauteur d’eau, par exemple, donne de bons résultats. Ceci implique bien sûr d’accéder à une connaissance hydraulique fine du site de mesure. »
Des technologies très nombreuses
Les technologies de mesure sont légion. Parmi les plus connues : la mesure par pression hydrostatique, l’ultrason, le radar, le bulle à bulle, etc. Les fabricants, parmi lesquels Krohne, Endress+Hauser, Vega, Nivus, Keller, Siemens, Bürkert, IFM Electronic, Pepperl+Fuchs, Tecfluid, SDEC, Eletta, Baumer ou encore Hitec, se spécialisent dans l’une ou l’autre des technologies ou, comme c’est souvent le cas, dans plusieurs technologies.
La mesure par pression hydrostatique à partir de capteurs piézorésistifs est l’une des technologies les plus anciennement utilisées. Le principe de mesure repose sur la relation physique entre pression, hauteur et densité. « On mesure une pression et on déduit à partir de cette relation la hauteur du niveau du liquide », explique Jérôme Ignacio, de chez GE Sensing, filiale en France de l’Américain General Electric.
Le DLN OCS répond à certaines exigences côté opérateurs. « Souvent, dans les appels où il faut remplacer du matériel qui est déjà sur le terrain, les clients demandent que le nouveau matériel soit compatible avec le parc existant, explique Thomas Husson. Désormais, le logiciel STS va pouvoir fonctionner avec les autres systèmes même si ces derniers ne sont pas des marques STS. » Mais la qualité d’une technologie réside principalement dans sa précision. Chez STS France, fabricant spécialisé uniquement dans les capteurs à pression hydrostatique, les deux principales gammes de produits DLN et ATMN présentent un niveau de précision analogue d’environ 0,05 %. « La gamme que nous vendons le plus reste le DLN pour son caractère autonome, explique Thomas Husson. Un grand nombre de régies départementales l’utilisent pour le suivi de nappes phréatiques. » Contrairement aux sondes « classiques » telles que l’ATMN, la gamme DLN est équipée de mémoire dont la capacité ne cesse d’augmenter. « Dans nos nouvelles sondes on peut mettre des cartes micro SD de 32 Go de capacité ; ceci évite également que les données ne se perdent au cas où il n’y aurait plus de batterie. »
Pour la précision, GE Sensing, spécialisée elle aussi uniquement en capteur de pression hydrostatique, affirme faire mieux. La sonde TERPS du fabricant américain « atteint une précision de l’ordre de 0,01 % ». « La technologie que nous utilisons est celle du silicium résonant, explique Jérôme Ignacio. La précision de la sonde TERPS est due au fait que lorsque l’élément silicium est mis en vibration, c’est une fréquence qui est obtenue en sortie. Pour nos autres sondes piézorésistives également en silicium, c’est une résistance qu’on obtient en sortie. Or la fréquence se mesure avec beaucoup plus de précision que la résistance. » La sonde TERPS, utilisée en particulier dans le domaine océanographique, présente une autre caractéristique : sa stabilité. « C’est une technologie tellement stable que lorsque le capteur est plongé au fond de l’eau il peut y rester pendant des années car il ne dérive quasiment pas. Ce qui n’est pas le cas de bien des autres technologies piézorésistives. » Beaucoup plus précise et stable, le coût de la sonde TERPS de GE Sensing est cependant plus élevé.
« Un manque de souci sur l’incertitude de mesure est à regretter chez les opérateurs »
Entretien avec Jean-Bernard Bardiaux, ingénieur génie de l'eau et enseignant à l’École nationale du génie de l’eau et de l’environnement (ENGEES) à Strasbourg.
L’Eau, L’Industrie, Les Nuisances : Quelles sont les forces et faiblesses des technologies que sont la pression hydrostatique, le bulle & bulle, l’ultrason, le radar ?
Jean-Bernard Bardiaux : La réponse ne saurait être exhaustive. La mesure de pression hydrostatique, largement répandue, présente l’avantage d’être peu onéreuse et fiable. Elle est également peu sensible aux mousses et aux perturbations de surface. Néanmoins, mesurant la pression hydrostatique, la mesure est tributaire d’une bonne connaissance de la masse volumique du produit contenu. Le problème est accentué en cas de mélange. Le contact étant nécessaire avec le contenu, des liquides corrosifs interdiront ce type de technologie. Enfin, elle ne pourra être utilisée avec des matériaux pulvérulents.
La mesure bulle & bulle est facile à mettre en place mais peut être onéreuse. On sera sensible à la présence de matières en suspension (colmatage) et dans le cas de mesure de niveaux dans un écoulement, il conviendra d’abriter la mesure (puits de mesure) car les vitesses élevées (supérieures à 1,5 m/s) pourraient fausser la mesure.
Les deux technologies présentant un caractère intrusif, on leur préfère parfois des mesures extérieures. On pourra citer la mesure par ultrasons. Sans contact, cette technologie est très bien adaptée à la mesure des écoulements (suivi en rivière, canaux d’irrigation, conduites d’assainissement…). Les capteurs restent faciles à installer. Les deux critiques principales sont sans doute la sensibilité à l’état de la surface (vagues, mousses…) et la température. En effet, exploitant un temps de déplacement du son, le calcul de hauteur fait intervenir la célérité de l’onde. Or cette dernière dépend de la température. Les capteurs restants sont équipés de sonde pour tenter de corriger cela, mais la mesure de température reste locale (capteur) et si la distance entre l’appareil et la surface à détecter est importante, un gradient de température élevé ne pourrait être intégré dans le calcul. Enfin, on peut rappeler que la zone morte (champ proche) peut être palliée par l’ajout d’un renvoi d’angle.
On terminera par le radar qui présente des avantages proches des ultrasons. Il est néanmoins peu sensible à la température, mais reste encore cher. Ce type de capteur fonctionne moins bien avec des hydrocarbures par exemple.
E.L.N. : D’après vous, qu’est-ce qui devrait guider un opérateur dans le choix d’une technologie ?
J.B.B. : Les opérateurs intègrent parfaitement dans leur choix les considérations financières, la facilité d’exploitation (étalonnage…), la facilité de mise en place. Ce que l’on peut regretter, parfois, est le manque de souci sur l’incertitude de mesure. Les fabricants donnent une précision de mesure mais il convient d’intégrer le capteur dans son environnement de mesure et d’en déduire une incertitude liée à la valeur exploitée.
E.L.N. : Quelles sont les technologies qui connaissent le plus d’évolutions en termes d’innovation ?
J.B.B. : Il semble que les technologies ultrasonores et radar se développent. On peut constater un travail important sur la consommation d’énergie afin de rendre autonomes les capteurs (batteries intégrées).
E.L.N. : Quels sont les facteurs qui influencent le plus les mesures de niveau ?
J.B.B. : On citera la température (généralement corrigée). On peut y ajouter l’humidité, les caractéristiques électriques des fluides…
Les capteurs restent généralement sensibles aux ondes électromagnétiques qui sont générées par des appareils extérieurs (variateurs de vitesse…). Outre les capteurs, les câbles sont très sensibles à cette variable extérieure.
E.L.N. : Les fabricants parviennent-ils à contourner et à surmonter ces facteurs ?
J.B.B. : Le plus souvent. Néanmoins, lorsque les capteurs sont sans contact la connaissance des caractéristiques du milieu à traverser est difficile à réaliser.
OTT équipe sa gamme OTT PLS (précision de 0,05 %) d’un capillaire. « C’est un tube qui permet de compenser les différences de pression atmosphérique », explique Laurent François, gérant d’OTT France, filiale du fabricant allemand implantée à Aix-en-Provence. OTT PLS présente une autre particularité. « Elle peut être livrée soit avec un signal de sortie analogique de 4 à 20 mA ou avec un signal numérique suivant la norme SDI-12. Avec ce signal numérique on mesure à la fois le niveau de l’eau et la température de l’eau. » Le DLN OCS de STS France dont les premiers modèles sont commandés en ce moment est aussi une technologie multifonctions. « Il peut mesurer presque tout, affirme Thomas Husson. On pourra connecter au système OCS presque toutes les sondes, conductivité, pH, température, turbidité, radar etc… ».
Pour remédier aux influences qui pèsent sur les mesures, STS utilise quant à elle la compensation polynomiale. « C’est un polynôme de quatrième degré capable de prendre en compte les variations de précision en fonction de la température ». Relativement au DLN OCS, STS fait aussi grand cas d’une autre commodité dans l’air du temps. « L’avantage d’avoir un ordinateur dans notre outil facilite le développement de nouveaux modules. Par exemple nous développons un module qui permet de communiquer avec la sonde avec son smartphone ».
Quelle que soit la performance d’une sonde hydrostatique, l’un des reproches qui lui sont souvent faits c’est d’être immergée. « Le contact avec le liquide fait que la sonde hydrostatique va se corroder, s’encrasser et s’user et c’est ensuite difficile de déporter l’électronique », fait savoir Christophe Clutier de chez Krohne, fabricant allemand dont la filiale française développe une expertise particulière en niveau-métrie. Inconvénient auquel les fabricants tentent de remédier en utilisant pour la membrane, des matériaux tels que la céramique, l’inox ou le joint téflon.
Les deux technologies non immergées les plus utilisées restent le radar et l’ultrason.
La mesure de niveau par émission d’ondes
Hydrostatique, les technologies du radar et de l'ultrason mesurent le niveau par émission d'ondes. « Pour l'ultrason, le capteur émet une onde ultrasonore laquelle arrivée à la surface de l'eau rebondit et revient vers le capteur, explique Nadia Fara, responsable marketing chez Vega. Le capteur calcule le temps de parcours de l'onde et le transforme en distance. Dans le cas du radar, l'onde envoyée est une onde électromagnétique. » Pendant longtemps, les capteurs ultrason avaient été préférés au radar en raison de leurs coûts deux fois moins élevés. Mais depuis quelques années, le radar gagne en compétitivité.
« Le radar comprend de plus en plus de composants électroniques dont le prix ne cesse de baisser », explique Christophe Clutier de chez Krohne. C'est ainsi que dès 2008, l'analyste américain Arc Advisory Group prévoyait une croissance du marché des appareils de mesure de type radar sur les quatre années suivantes. Cette prévision s'est avérée juste.
Dans la famille des capteurs radar, la gamme Optiflex de Krohne a connu l’an dernier quelques évolutions. Tout comme le DLN OCS de STS, l'Optiflex devient modulaire. « On peut ajouter des modules. On peut déporter en particulier la partie électronique. Ce qui fait qu'on n'est plus obligé de monter sur la cuve pour le régler. On peut le mettre dans la position verticale ou horizontale au... »
Dessus de la cuve ». Chez Vega, il est question d'une évolution du design des capteurs radar. La gamme VegaPuls WL 61 du fabricant allemand est équipée « d’un câble moulé et d’un boîtier robuste permettant d'avoir un indice de protection élevé de 66/68 (1 bar) ».
Un amalgame est souvent fait entre l'ultrason et le radar qui utilisent deux techniques de mesures bien différentes. « L’onde ultrasonore (KHz) a besoin d’un support pour se propager, en l'occurrence les molécules d'air, alors que l’onde électromagnétique (GHz) émise par un radar s’affranchit de tout support pour se propager à la vitesse de la lumière. Cela confère au radar une indépendance quasi-totale par rapport à la composition du ciel gazeux, explique Laurent Heusch, Responsable des ventes chez Vega. Au contraire l’ultrason utilisant l'air comme porteur, celui-ci est directement dépendant de la composition du ciel gazeux. Le signal sera plus ou moins perturbé en fonction de la condensation, des gradients de températures ou de la présence de gaz type H2S ».
Mais pendant longtemps la mesure de niveau par ondes a reposé sur l'ultrason. En plus du piézométrique, Endress+Hauser dispose de deux technologies sans contact et l'ultrason reste la plus proposée dans le domaine de l'eau. « Elle a fait ses preuves sur des milliers d'applications et le transmetteur déporté multivoies Prosonic FMU90 contenant des logiciels dédiés pour la mesure de débit, le contrôle de pompes, de dégrilleurs, etc. permet une configuration sur le terrain sans PC portable », fait savoir Raphaël Brie, Chef de Marché Environnement chez Endress+Hauser. « La nouvelle génération de sondes FDU90 s’insère dans les endroits les plus exigus et propose une excellente dynamique de mesure. Nous proposons la technologie radar lorsque l’application l’impose, notamment en cas de hauteur de mesure importante ou de présence d’un ciel gazeux autre que l’air ».
Burkert, qui propose également une gamme très étendue reposant sur la quasi-totalité des technologies, de l'ultrason au radar à ondes libres et guidées en passant par la détection de niveau par lames vibrantes, propose dans ce domaine son EchoSens 8178, un transmetteur de niveau ultrasonique, sans contact, spécialement conçu pour eaux et eaux usées. Le traitement du signal est redressé par filtres numériques pour s’affranchir des obstacles dans les cuves, de la mousse légère ou de l'agitation.
La gamme de Bürkert intègre également un concept ou design hygiénique (tout inox) essentiellement pour les applications dans les secteurs industriels pharmaceutique et agroalimentaire.
La technologie ultrasonique restant bien adaptée au domaine de l'eau et largement utilisée, Siemens a développé et mis sur le marché une nouvelle génération d’appareils, le SITRANS LUT 400. Très simple à mettre en œuvre, il est encore plus fiable et plus précis que ses prédécesseurs.
C2Plus commercialise de son côté les sondes de niveau ultrasoniques série Easytrek ou piézo série Nivopress de chez Nivelco. Outre leurs trois années de garantie, elles ont l'avantage de communiquer en numérique sous protocole Hart, tout en intégrant une électronique intégrée et une sortie de câble IP68. La sonde est programmable à distance avec un PC ou via un transmetteur déporté série Multicont qui permet de gérer jusqu’à 15 instruments, de les programmer à distance et de communiquer avec un automate ou une télégestion.
Mesure de hauteur d’eau : la vérification et l’étalonnage nécessitent un soin tout particulier
Aujourd’hui, les technologies de mesure de hauteur de plus en plus fiables tendent à espacer, voire à éliminer, les visites de contrôle par le SAV des installateurs. Ainsi, vieillissement naturel, conditions ambiantes d’installation, conditions météorologiques, peuvent entraîner à la longue une dérive de fiabilité des données de mesures fournies par ces appareillages...
« Lorsque nous installons sur site des mesures provisoires de hauteur dans le cadre d'études de process ou d’autocontrôle, nous constatons régulièrement des décalages qui peuvent être importants entre nos appareillages portables et le matériel installé à demeure », indique Gaël Le Velly, gérant de la société Aquaeria.
En effet, si les organismes préleveurs ou les spécialistes de la mesure sont habitués à la gestion de la vérification et de l'étalonnage du matériel de mesure de hauteur, il n’en est pas forcément de même pour les utilisateurs de matériel in situ.
« Souvent, le premier réflexe de l’exploitant du matériel est de remettre en cause la fiabilité du matériel portable, mais notre système de management qualité selon la norme ISO 17025 nous amène à contrôler le bon fonctionnement de nos systèmes de mesure de hauteur systématiquement à l’installation, et chaque système est entièrement vérifié et passé sur le banc d’étalonnage du fabricant au minimum une fois par an », explique Gaël Le Velly.
tion en Modbus RTU faisant ainsi baisser les coûts de câblage. Le Multicont possède une option logger avec carte SD permettant l’acquisition des données.
Cette étape de vérification et d’étalonnage régulier est souvent absente des installations à demeure. Pourtant, la maintenance courante, la vérification et le réétalonnage d'un système de mesure de la hauteur d'eau, quelle que soit sa technologie, est souvent très simple et ne nécessite que peu de moyens. « Un nettoyage, un mètre raccordé et la notice du matériel suffisent dans la plupart des cas à rattraper les dérives courantes de la mesure de hauteur, mais nous constatons sur le terrain que les opérateurs utilisant ces matériels manquent souvent de sensibilisation et de formation à cette maintenance courante », reprend Bruno Venezia, technicien-préleveur Aquaeria. « Un contrôle régulier de l’installation par un organisme préleveur ou un organisme de mesure dont le matériel est validé peut aussi permettre de vérifier et de confirmer le bon fonctionnement de l’installation ».
Quelle que soit la technologie sur laquelle il repose et sa précision, le matériel de mesure de hauteur d'eau nécessite donc une maintenance et une vérification régulière : que ce contrôle soit réalisé en externe par des organismes indépendants, ou en interne par la formation des opérateurs par les fournisseurs de matériel ou par des organismes de formation professionnelle tels que l’Office International de l'Eau ou Aquaeria, seule une grande rigueur dans cette maintenance peut permettre à l'exploitant du matériel de garantir sa fiabilité.
Le bulle à bulle et le flotteur : des applications spécifiques
Parmi les technologies moins répandues, le bulle à bulle consiste à mesurer le niveau à partir de l'air comprimé. La gamme CBS d’OTT, souvent utilisée en hydrologie, « ne présente pas de dérive ». Pour cette gamme, l'air comprimé est produit par une pompe à piston compacte intégrée. 2G Métrologie la propose également à travers le Limn’air, un transmetteur de niveau par bulle à bulle qui intègre son propre générateur d’air, avec une réserve et une régulation. Son filtre anti-poussière assure la stabilité dans le temps du bullage. Parmi les avantages de ces équipements : leur insensibilité aux phénomènes de mousses et/ou aux taux élevés de matières en suspension. Ils sont donc fréquemment mis en œuvre pour des applications liées à la mesure de débit en canaux ouverts ou déversoirs. Ponsel, avec l’Alphée 4010, Bamo Mesures avec son Bamobul ou encore Endress+Hauser avec son HMB30, proposent des matériels dédiés à ce type d’applications.
Côté flotteurs, OTT propose notamment le SE 200. Mise en œuvre de longue date, cette technologie comprend un système de flotteur associé à un contrepoids lequel transmet des variations de niveau à une roue codeuse. Endress+Hauser propose de son côté le flotteur FTS20, un détecteur de niveau utilisé dans des cuves et réservoirs comme protection anti-débordement ou de protection de marche à vide de pompe. ATMI, qui revendique le statut de premier constructeur mondial de contacteurs de niveau à flotteur pour liquides mais aussi solides, est également capable de répondre à toutes les exigences en régulation et détection de niveau dans toutes sortes d’applications avec une vingtaine d’appareils reposant sur un système de régulation « à flotteur ». Ils sont utilisés dans les applications les plus diverses sur des eaux claires, chargées, usées, pour les mélanges liquides agressifs (solvants, hydrocarbures, acides, bases, etc.), pour l’eau potable avec des flotteurs certifiés ACS, ainsi que des appareils certifiés ATEX pour les zones explosibles classées 0, 1, 2 pour les gaz et 20, 21, 22 pour les poussières. Parmi les avantages de cette technologie : sa simplicité, sa fiabilité et son coût avantageux.
« Pour ce qui est des flotteurs, il est important de préciser que la problématique de fonctionnement se pose lorsque le milieu est très chargé (fosse à graisse par exemple) qui empêchera le basculement du flotteur ou engendrera une maintenance importante sur les postes », insiste Christophe Carreira chez C2Plus qui commercialise les sondes Multitrode. Basées sur le principe de la conductivité du liquide, elles offrent de nombreux avantages parmi lesquels une insensibilité à l’encrassement et à la présence de filasse : dépôts de graisse, mousses etc.
Il reste cependant encore des besoins assez simples reposant sur des technologies éprouvées et bon marché. Airindex, un des derniers constructeurs français, a donc choisi de développer à façon des solutions à destination des intégrateurs sur la base de nombreuses techniques disponibles en misant sur sa capacité à répondre aux problématiques usuelles dans des délais très rapides.
