Dans le secteur de l'eau, la mesure de niveau, partout présente, résout de nombreux problèmes liés à la gestion des ouvrages et des infrastructures. Deux grands principes de mesure sont plus particulièrement répandus : les ultrasons et la mesure de pression hydrostatique. Il faut y ajouter la mesure de niveau radar, couramment mise en ?uvre dans le cadre des alertes de crue.
On ne compte plus les applications de la mesure de niveau dans le domaine de l'eau. C'est une mesure classique qui sert à surveiller les captages, à optimiser le fonctionnement des ouvrages sur le réseau, la station de pompage ou la station d'épuration, ou encore à mesurer la hauteur des rivières ou des nappes phréatiques. Placé sur une cuve de stockage, la mesure de niveau optimise la gestion des stocks de chaux, de charbon actif et facilite la gestion des boues.
En mesure de niveau, les acteurs sont nombreux. Il y a les entreprises spécialistes des capteurs qui dominent le marché. Et de petits constructeurs très présents aussi et qui se positionnent sur des niches où ils répondent aux besoins de mesures très particulières pour lesquelles ils développent des capteurs adaptés.
Deux familles de capteurs sont particulièrement utilisées dans le domaine de l'eau : les ultrasons et les capteurs de pression hydrostatique. D'autres techniques comme le
Le support des ultrasons est constitué par de l’air, mais ce n’est pas toujours le cas. « Un gradient de température influence le temps de parcours de l’onde, souligne Cédric Fagot, responsable des capteurs ultrasons chez Endress+Hauser, il en est de même en présence de gaz qui modifie la vitesse des ultrasons. Conséquence, l’incertitude de mesure augmente et dans certains cas extrêmes, l’écho peut être supprimé. » Si ces perturbations doivent être prises en compte au moment du choix de la technique, elles sont dans la plupart des cas négligeables. En effet, le radar, le Nilomètre (impédance) et les lames vibrantes sont également présents.
Les ultrasons, un grand classique
ABB Instrumentation, Bamo Mesures, Endress+Hauser, Isma, Krohne, Mobrey, Nivus, Paratronic, Siemens Process Instruments, Vega… proposent cette technique. Un capteur est placé au-dessus du fluide dont on veut surveiller le niveau. Il envoie un train d’ondes ultrasonores vers la surface du fluide qui le réfléchit vers un récepteur. Le temps de parcours des ondes permet de calculer le niveau.
Tout est simple tant que le support de transfert des ultrasons est constitué par la lame d’eau, ce qui conduit à un parcours très faible de l’onde ultrasonore. En fait, la principale limitation des ultrasons est la présence de mousses ou de boues en surface du liquide dont on veut surveiller le niveau.
Pour Christophe Barbier, responsable produit niveau chez Siemens Process Instruments : « Les capteurs de niveau ultrasonores ne présentent pas de contraintes d’installation ; ils se fixent au-dessus de l’eau, sur les bassins ou sur les canaux en entrée et en sortie de STEP. » Seul l’environnement des instruments, souvent très corrosif, nécessite de prendre quelques précautions, notamment au niveau des fixations de capteurs « qui doivent être fixés sur support en acier inoxydable, ce qui entraîne un surcoût non négligeable du point de mesure », explique Jacques Bouchinet, directeur commercial d’Hitec. Un argument qui peut être relativisé depuis que certains capteurs ultrasons peuvent être suspendus au-dessus du bassin à l’aide d’un câble, comme l’appareil commercialisé par Paratronic.
Le domaine des capteurs ultrasons est un domaine mature qui se caractérise par un petit nombre d’évolutions. Mais il y en a quand même. Ainsi, Endress+Hauser annonce pour le mois de mars 2006 le Prosonic S intégrant une nouvelle génération de sondes et d’électroniques déportées (jusqu’à 300 mètres) pour la mesure de niveau de 2 à 70 m sur liquides et pulvérulents. L’instrument mesure un niveau, en affiche le volume, contrôle le fonctionnement des pompes, commande un prélèvement automatique d’échantillon et donne une différence de niveau amont/aval…
Chez Isma, il est couramment utilisé en autosurveillance. Relié au convertisseur Isma, il mesure le débit entrée et sortie de station et asservit les préleveurs d’échantillons en fonction des débits respectifs. Il asservit même le fonctionnement du dégrilleur par mesure de différence amont/aval et la mise en service ou l’arrêt de pompes.
Une autre technique est très couramment utilisée dans le domaine de l’eau : le capteur hydrostatique.
Mesurer la pression pour connaître le niveau
ABB Instrumentation, Bamo Mesures, Druck, Endress+Hauser, Hitec, Iris Instruments, Jumo, Keller, Krohne, Mobrey, Nivus, OTT France, Paratronic, Rittmeyer, Scaime, SensorTechnics, Siemens Process Instruments, Sika France, STS France, TecFluid, Vega… Ils sont très nombreux à proposer des capteurs de pression hydrostatique pour mesurer le niveau d’eau. Pour Claude Schelcher, responsable capteurs chez Endress+Hauser, « l’intérêt de la mesure hydrostatique est qu’elle est moins chère ».
Le capteur de pression piézorésistif est plongé en fond de bassin, suspendu à l’extrémité d’un câble.
Pour restituer les informations le plus fidèlement possible, le capteur ultrasonique EchoTrek de Bamo Mesures est équipé du système de recherche avancé QUEST+TM. Ce processeur lui permet d’adapter son signal en identifiant et en analysant la surface d’un liquide, afin d’obtenir une mesure de niveau fiable.
L’extrémité d'un câble ou placée dans un tube PVC protecteur, la sonde mesure la hauteur de la colonne d'eau présente au-dessus du diaphragme, additionnée ou non de la pression atmosphérique, selon qu'il y ait ou non compensation. OTT France propose par exemple la sonde Orpheus-K, conçue pour l’enregistrement en continu du niveau d'eau et de la température des nappes phréatiques et des eaux de surface. Un capteur de conductivité de haute qualité peut être intégré à la sonde. Son installation simple et rapide lui permet notamment de travailler là où les autres méthodes sont d'un emploi difficile : dans les piézomètres et forages de faibles diamètres, dans les forages profonds ou non verticaux.
Keller propose de son côté l'enregistreur de données DCX-22, un instrument autonome destiné à l’enregistrement de pressions hydrostatiques sur de longues périodes. Le capteur de pression, l'électronique numérique de traitement et la pile sont contenus dans un boîtier étanche en acier inoxydable. Le transfert des mesures sur un PC nécessite de remonter l’instrument en surface et de déposer l’embout du DCX-22 pour accéder au connecteur permettant le transfert des données. Le DCX-22 utilise un capteur de pression absolue. Pour de faibles profondeurs d’eau, l’influence des variations de pression atmosphérique doit être considérée. Il est alors recommandé de placer un DCX-22 Baro en surface pour enregistrer la pression barométrique. Le PC calcule alors la hauteur d'eau par soustraction des deux valeurs mesurées. Le DCX-22 SG/VG comporte un câble électrique qui relie le DCX-22 à un boîtier en acier inoxydable monté en surface qui comporte le connecteur de transfert des données. Il n’est ainsi pas nécessaire de remonter le DCX-22 en surface pour récupérer les mesures.
Le principe de mesure est bien connu et les entreprises différencient leur offre en adaptant leurs capteurs à certaines niches très spécifiques. Ainsi, Paratronic, qui capitalise une expertise de vingt ans dans la protection contre la foudre, commercialise un capteur piézorésistif immergé garanti deux ans y compris contre les risques de foudre, sans protection particulière. Ce produit est intéressant pour équiper les châteaux d'eau.
Quant à Hitec, elle a dernièrement mis au point un capteur de pression céramique raccordante qui peut être vissé sur la paroi de la canalisation. « Ce capteur, très attractif au niveau du coût, est adapté aux mesures sur une eau peu colmatante », précise Jacques Bouchinet, directeur commercial d'Hitec. Car l’encrassement est bien l'un des problèmes de cette technique, notamment sur les eaux usées. Pour résoudre cette difficulté, Hitec a développé voici quatre ans un capteur Téflon pour les eaux usées. Le capteur, référencé CP 5230, permet de répondre aux besoins de métrologie des fluides difficiles en limitant l'adhésion de la graisse qui s'agglutine habituellement sur la partie sensible, entraînant du même coup une diminution, voire une interruption totale de la prise de pression. Cet instrument permet également, dans certains milieux à forte variation de pH, de protéger les parties sensibles, dont les joints métalliques, et d'augmenter ainsi la durée de vie du capteur.
Vega a également réfléchi au problème.
Mesure de niveau sur réseau : Générale des Eaux développe ses capteurs
Christian Salic est responsable d'exploitation des réseaux eau et assainissement de l'agence du Grand Toulouse de la Générale des Eaux. Pour comprendre le fonctionnement du réseau de collecte des eaux usées, les équipes de la Générale des Eaux ont mis au point un système complet de mesure des variations du niveau d'eau dans les conduites. La densité d’implantation est d'un capteur pour 1,5 km de réseau. Actuellement, 100 points de mesure sont déjà installés et 50 sont en cours d'installation. À terme, ce sont 700 capteurs qui surveilleront la totalité du réseau de Toulouse.
Le choix du capteur n'a pas été simple. L'entreprise avait des exigences :
- * en autonomie, le capteur devait fonctionner sans alimentation électrique,
- * en coût, le point de mesure ne devait pas dépasser 400 €.
Après consultation des différents fabricants de capteurs de niveau, elle s'est rendu compte que les équipements existants ne répondaient pas à ses besoins. En cause : une plage de mesure trop faible, un manque de précision, une absence d'autonomie électrique (du capteur et du télétransmetteur) et un coût encore trop élevé des transmissions de données par liaison GSM. L'entreprise, qui souhaitait développer un nouvel outil d’exploitation des réseaux, a décidé de développer un capteur de niveau, ce qui fut fait.
Aujourd'hui, elle dispose d'un capteur doté de deux sondes ultrasonores étanches, qui ne nécessitent aucun entretien. Ces sondes travaillent sans contact avec les effluents dans les plages de mesure de 0 à 400 mm avec une précision de 1 mm, pour l'une, et de 0 à 6 m avec une précision du centimètre, pour l'autre. Elles utilisent des ultrasons réfléchis à la surface de l'eau pour calculer le niveau. La transmission des informations est réalisée par radiofréquence. L’adaptation de la technique mise en œuvre pour le radio-relevé des compteurs d’eau a permis de travailler dans une gamme de fréquences non régulée par les autorités ; il n’y a donc pas besoin de demande d'autorisation particulière pour l'exploitation, et pas de coût spécifique lié à la transmission des données. Mais le secret du capteur réside dans l'optimisation de sa gestion de l'énergie et dans le choix des composants. Ce savoir-faire a permis le développement d'un capteur alimenté sur pile et possédant une autonomie de cinq à sept ans.
Le premier prototype est en service depuis décembre 2003. Un logiciel spécifique de gestion des données issues de ce réseau de capteurs est en cours de développement. Il traite les aspects « exploitation », avec en particulier la surveillance des obstructions du réseau et le déclenchement d’actions préventives d'entretien sur détection d’encrassement. Les informations utiles au diagnostic permanent, à l'autosurveillance et à la protection de l'environnement sont fournies par les mesures de hauteurs. Actuellement, Générale des Eaux adapte la technique pour la surveillance des ouvrages de grandes dimensions (réseaux pluviaux et unitaires).
Avec Vegawell 72, elle propose un capteur de niveau hydrostatique qui ne s'encrasse pas. Sa cellule céramique capacitive Certec est arasante, ce qui exclut tout risque de dépôts et réduit les opérations de maintenance. Deux capteurs de ce type ont été installés pour contrôler une installation de microfiltration qui traite une eau brute dont la teneur résiduelle en huile a préalablement été réduite à moins de 0,5 % par un séparateur. Cette eau est pompée dans l'installation à une pression de 5 bar. Périodiquement, une certaine quantité d'eau propre est refoulée à contre-sens pour nettoyer le filtre. Pour automatiser l'opération de filtration, deux capteurs de niveau hydrostatiques pendulaires à cellule de mesure sèche avec membrane céramique arasante sont utilisés dans les réservoirs amont et aval de la membrane. Accessibles par le haut, ils peuvent être facilement nettoyés.
La technologie piézorésistive est particulièrement bien adaptée pour surveiller les nappes phréatiques et les forages.
Surveiller les nappes et forages
Surveiller la hauteur d'une nappe ou d'un forage implique de glisser un capteur dans le piézomètre. Pour cela, il faut que le capteur soit de petit diamètre. Pour cette mesure, on se sert de petits capteurs piézorésistifs.
Les capteurs de niveau piézorésistifs Rittmeyer traitent le signal de sortie du point de mesure de façon analogique ou digitale. La linéarisation et la compensation de la température sont également réalisées. Pour certains types de capteurs, on peut également avoir une sortie digitale par interface RS-485. L'utilisation typique des capteurs piézorésistifs Rittmeyer est la mesure de niveau pour puits, puits de forage, lacs, rivières, bassins de retenue d'eau…
Pour réaliser cette mesure, Hitec propose un capteur référencé CP 5215 dont le diamètre de 15 mm permet de le placer dans un endroit exigu pour mesurer une colonne d'eau comprise entre 5 m et 300 m. Paratronic commercialise un capteur piézorésistif de 18 mm de diamètre mesurant une colonne d'eau de 140 m. Le record est détenu par le capteur de STS France dont le diamètre est de 10 mm et qui mesure des hauteurs d'eau de 0-10 m à 0-100 m. Pour les applications sur sites isolés, cette entreprise commercialise un enregistreur de données autonome capable de mémoriser 400 000 mesures (niveau, température et conductivité) disposant d'une télétransmission de données GSM. Alimenté par batterie au lithium, il dispose d'une autonomie de 1,5 an pour une utilisation de trois mises en marche de 20 min par semaine et d'une demande de données hebdomadaire avec un minimum de 400 valeurs mesurées. Quant à Scaime, elle propose, elle aussi, un capteur de pression piézorésistif avec datalogger intégré pour l'acquisition de 130 000 mesures de niveau, plus éventuellement un pluviomètre.
Certains capteurs sont également conçus pour travailler à très grande profondeur ou à très haute température. Ainsi, Druck a mis au point le capteur RTX 1930. Il intègre la cellule sensible et son électronique dans un…
corps de 30 mm de diamètre et mesure jusqu'à 700 m de hauteur de colonne d'eau. Quant à la température élevée, on la trouve en géothermie. Pour ces besoins, Hitec a mis au point un capteur de pression piézorésistif qui résiste à une température de 85 °C.
Si le capteur hydrostatique est très utilisé en bassin et en réseau, sur les rivières, c'est le radar qui surveille les crues.
Sur rivière, préférer le Nilomètre ou le radar
Le Nilomètre® de la société Serosi équipe de nombreux sites sensibles (hydrométrie et alerte de crues pour l'État, les Communes, les Syndicats intercommunaux...). Il s'agit d'un réglet électronique numérique multifonction (mesure de conductivité par électrodes arasées tous les centimètres) sans partie mécanique, entièrement étanche, qui mesure le niveau au millimètre, la conductivité, la température. Robuste et fiable, il résiste aux chocs ; il ne dérive pas, ne se tare pas, est insensible aux mousses, aux flottants, ainsi qu’à l’envasement (qu'il mesure). Il se décline surtout pour les profondeurs de 0 à 10 m. Autre domaine de prédilection : sur bassins de rétention. Sa mesure n'est pas altérée par une mise hors d'eau prolongée. Sa consommation est quasi nulle (station complète : 1/2 milliampère sous 12 V, hors communication ; autonomie de plusieurs années). Il est particulièrement adapté à tous les sites isolés qui ne possèdent pas d’alimentation électrique, voire de ligne téléphonique... Sa centrale associée permet d’enregistrer jusqu’à 60 millions de mesures ; elle est munie d'un automate programmable multicritère déclenchant des alertes directes ou via serveurs-relais (SMS, emails, fax, téléphones fixes). D'installation simple et rapide, le Nilomètre ne nécessite ni abri, ni puits de tranquillisation (matériels garantis 5 ans). Pour des besoins spécifiques (mesure de pluviométrie par exemple), la Serosi commercialise un Nilomètre dont la précision sur le niveau, en absolu, est de 1/10 mm.
Endress+Hauser, Paratronic, Siemens Process Instruments, Vega ou encore OTT commercialisent des capteurs radar. Comme pour les ultrasons, le capteur radar est placé au-dessus du niveau dont on veut surveiller le niveau.
Pour prévenir les crues et les inondations, des stations de mesure en temps réel sont installées sur les rivières et reliées à des systèmes automatiques de collecte de données. Dans ces stations, la mesure de niveau doit être précise et surtout très fiable. L'utilisation de capteurs immergés de type bulle à bulle ou hydrostatiques présente de gros risques d'arrachement pendant les crues et c'est justement à ces moments que les mesures sont les plus importantes. Les capteurs à ultrasons, bien que montés hors de l'eau, n'offrent pas la fiabilité requise car ils sont sensibles aux gradients de température et aux conditions météorologiques comme le vent, le gel et les précipitations.
Le capteur radar sans contact se monte hors d'eau, ce qui le rend totalement insensible à l'envasement et à la prolifération d'algues. Son principe de mesure par hyperfréquences le rend totalement insensible à la température et aux conditions climatiques. Autre intérêt, sa faible consommation autorise une alimentation sur batterie ou sur panneau solaire. Chez Vega, un algorithme de traitement du signal permet d'obtenir un capteur d’encombrement réduit (épaisseur 8,5 cm) ce qui le rend discret et limite les risques de déprédation liés aux actes de vandalisme. De plus, sa zone aveugle est extrêmement faible (15 cm) et il permet de mesurer des crues avec une précision du millimètre sur une plage de mesure de 30 m. Autre avantage, la très faible consommation de ce capteur lui permet, sur les sites isolés, d’être connecté sur un système d’acquisition et un modem alimentés par des piles LR20 et autonome pendant six mois.
