L'oreille perçoit les vibrations des molécules de l'air atmosphérique qui produisent des variations périodiques de sa pression.
En dessous de 16000 Hertz (Hz), ces ondes sont dites sonores, audibles au dessus de quelques dizaines d'Hertz. Au dessus de 16000 à 20000 Hz (20 kHz), se situe le domaine des ultrasons, inaudibles par l'homme mais audibles par certains animaux (ex: chiens, chauve-souris).
Le son se propage à une vitesse de plusieurs km/s dans un solide (ex: 5 km/s dans l'acier), de l'ordre du km/s dans un liquide (ex: 1435 m/s dans l'eau à 8°C) et de quelques centaines de m/s dans les gaz (ex: 331 m/s dans l'air à 0°C). Mais dans un gaz, cette vitesse dépend fortement du milieu (composition, pression, température; par exemple une élévation de température de 1°C augmente la vitesse de propagation du son dans l'air de 0,6 m/s).
L'onde sonore ou ultrasonore est réfléchie, comme un rayon lumineux, par les surfaces solides, mais aussi par les surfaces liquides. Dans le cas d'un liquide, celui-ci absorbe une partie de l'onde et réfléchit l'autre partie: c'est l'écho .
Nombreuses applications civiles ou militaires, par exemple:
- Le sonar. C'est un appareil de détection sous-marine, utilisant les ondes sonores, et permettant le repérage, la localisation et l'identification du fond de la mer ou des objets immergés tels que les sous-marins.
- L'échographie. Cette technique, qui ne présente aucun danger, permet par exemple d'examiner le foetus de l'extérieur du ventre de la mère.
Principe de la mesure du niveau par ultrasons
Observons l'animation ci-dessous. La tête d'émission / réception émet une onde ultrasonore de manière discontinue, sous forme de brèves impulsions ultrasonores à intervalles de temps constants (ex: 25 fois par seconde). Cette onde est dirigée verticalement sous forme d'un faisceau conique en direction de la surface du liquide dont on mesure le niveau. Le liquide absorbe une partie de cette onde, l'autre partie (l'écho) étant réfléchie en sens inverse vers la tête d'émission / réception dans laquelle se trouve un récepteur détectant le retour de l'écho. La mesure précise du temps t qu'a mis l'onde pour aller jusqu'à la surface du liquide et revenir sous forme d'un écho permet d'en déduire la hauteur de creux Hc = Hmax-H, donc le niveau H.
Appelons V la vitesse de propagation de l'onde ultrasonique dans la phase gazeuse ou vapeur située au-dessus du liquide dans le réservoir.
Le temps que met l'onde pour aller de l'émetteur jusqu'au liquide et revenir sous forme d'un écho jusqu'au récepteur est
t = 2.(Hmax - H) / V
d'où H = Hmax - (V.t / 2)
On a donc une relation linéaire entre H et t. Pour une vitesse V donnée, le niveau H est inversement proportionnel au temps t mesuré par le chronomètre électronique.
L'appareil fait le filtrage nécessaire (élimination des échos parasites), traduit le temps t mesuré en un signal de mesure standard (ex: 4..20 mA) en effectuant d'éventuelles corrections (ex: pour tenir compte de l'influence de la température de la phase gazeuse).
On peut par exemple facilement vérifier que pour V = 330 m/s et une distance de creux (Hmax-H) égale à 1 mètre, le temps t mesuré est t=2.(Hmax-H)/V = 2/330 = 0,006s soit 6 millisecondes (ms).
L'onde utilisée est le plus souvent ultrasonore donc silencieuse pour l'homme, d'une fréquence de vibration constante pouvant aller de 10 kHz à 100 kHz, par exemple 40 kHz. Les ultrasons permettent d'obtenir une meilleure précision. Les ondes audibles, de moins en moins utilisées, permettent de mesurer des grandes distances de creux car elles sont moins atténuées par la propagation.
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Réalisation de la mesure du niveau par ultrasons
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Deux réalisations existent comme le montre la vue de gauche ci-dessus.
- A droite, le montage séparé de l'émetteur et du récepteur nécessite deux ouvertures dans la partie supérieure du réservoir mais ne présente pas de plage morte (zone située juste en dessous de l'émetteur et du récepteur en haut du réservoir, nécessaire pour mesurer un temps minimal non nul).
- A gauche, plus courant, le montage combiné émetteur + récepteur ne nécessite qu'une seule ouverture mais présente une plage morte (ex: 0,25 m pour une plage de mesure de 4 m).
Pour produire une onde sonore, l'émetteur est un haut parleur (membrane vibrante solidaire d'une bobine excitée par un courant alternatif de fréquence égale à celle de l'onde et mobile dans un champ magnétique fixe créé par un aimant), prolongé par un cône directeur pour la guider et la diriger.
Dans le cas d'ultrasons, comme le montre la vue de droite ci-dessus, il s'agit d'un élément piézo-céramique commandé par de courtes impulsions électriques. Cet élément entre en oscillation et vibre à la fréquence du courant qui l'excite.
Pour les ondes sonores, le récepteur est un microphone (membrane mise en vibration par l'onde sonore et déplaçant une bobine dans un champ magnétique créé par un aimant) générant ou modulant un signal électrique alternatif de même fréquence.
Pour les ultrasons, il s'agit de l'élément piézo-céramique vibrant sous l'effet de l'onde et générant ou modulant un courant électrique alternatif de même fréquence. Dans le montage combiné, c'est donc le même dispositif que pour l'émission, mais utilisé en sens inverse (réversibilité) lors de chaque mesure du temps t. La "tête" d'émission est donc aussi celle de réception (un seul boîtier monté en haut du réservoir). La sonde de température permet de corriger les variations de la vitesse de propagation dues aux variations de la température de la phase gazeuse. La membrane peut être réalisée en matériau résistant à la corrosion ou revêtue de cette matière (ex: P.T.F.E, P.V.D.F).
L'image ci-dessus représente différents types d'appareils réalisés par un même constructeur: en haut à droite un boitier transmetteur à associer avec une des trois têtes émettrices/réceptrices en bas, en haut à gauche deux transmetteurs compacts dans lesquels l'électronique de traitement est située dans le boîtier transmetteur/récepteur.
Avantages et inconvénients de la mesure de niveau par ultrasons
| - mesure sans contact, utilisable avec des produits très corrosifs, visqueux, et même parfois solides en vrac, pulvérulents, granuleux, ou colmatants (si la granulométrie du produit ou le "talus" formé ne posent pas de problème au niveau de l'écho renvoyé vers la sonde). | - mesure faussée par les modifications de la phase gazeuse changeant la vitesse de propagation de l'onde ultrasonique. La composition de la phase gazeuse peut varier (par exemple présence de vapeur, de gouttelettes d'eau ou de poussière en suspension), de même que sa masse volumique, sa pression (peu influente), sa température (forte influence, pouvant être corrigée par une sonde, mais celle-ci doit être située dans la phase gazeuse et la température doit y être homogène, ce qui pose problème) |
| - mesure insensible aux changements de caractéristiques du produit dont on mesure le niveau (densité, conductivité, constante diélectrique, ...) | - mesure faussée par une surface du liquide agitée (vagues) ou recouverte de mousse épaisse, ce qui modifie l'absorption ou la réflexion de l'onde ultrasonore. |
| - montage facile, en haut de réservoir sans perçage du fond ou de sa paroi latérale | - mesure inutilisable lorsque le réservoir est sous pression élevée ( > 10 bars) ou sous vide (propagation impossible), ou lorsque la sonde est à une température supérieure à 100°C |
| - prix intéressant (à partir de 300 Euros en 2003) | - pour un montage combiné, plage morte c'est à dire distance minimale nécessaire entre la tête d'émission/réception et la surface du produit dont on mesure le niveau. |
| - pratiquement aucune maintenance nécessaire | - précautions nécessaires pour éviter les échos parasites sur les obstacles autres que la surface du liquide et qui ne peuvent être éliminés par l'électronique. Exemple: le déversement de liquide dans le réservoir. Les chocs intempestifs ou les vibrations des parois du réservoir peuvent aussi générer des ondes sonores et ultrasonores parasites. |
| - grande gamme d'étendues de mesure (variations de niveau de quelques dizaines de centimètres à plus de 60 mètres) . | |
| - élimination d'échos parasites à caractère systématique (ex: passage des pales d'un agitateur, obstacle fixe) et calcul du volume en fonction d'une géométrie particulière du réservoir (ex: fond conique) par un microprocesseur analysant et traitant le signal temps t reçu. | |
| - Bonne précision (par exemple ± 3 mm, soit ± 0,3% sur une étendue de mesure de 1 m) si la surface du produit est calme et sans mousse | |
| - réglage et étalonnage pouvant se faire en dehors du site , sans vidanger ou remplir le réservoir |
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