Cette mesure de niveau, apparue depuis quelques années seulement, est en forte progression. Elle est basée sur le même principe que la précédente, la différence se situant au niveau du type d'onde émise et détectée en écho. Au lieu d'une onde sonore ou ultrasonore, le radar utilise une onde électromagnétique haute fréquence (micro-onde).
Les ondes électromagnétiques
Comme l'onde sonore ou ultrasonore, l'onde électromagnétique est aussi une vibration, mais ce ne sont plus des molécules qui vibrent mais un champ magnétique. Ce champ magnétique varie de manière sinusoïdale, comme le fait la pression acoustique pour les ondes sonores et ultrasonores.
L'onde électromagnétique est donc immatérielle, et ne nécessite pas de support solide, liquide, ou gazeux pour se propager. Elle se propage dans le vide comme dans un gaz, de manière sphérique. Sa propagation est très peu influencée par la composition et les caractéristiques physiques de la phase gazeuse au dessus du liquide dont on mesure le niveau. Seules, de grandes variations de pression de cette phase gazeuse ont une influence significative.
Sa vitesse de propagation est celle de la lumière, soit 300000 km/s, la lumière étant elle aussi une onde électromagnétique.
La lumière est une onde électromagnétique de très grande fréquence (de l'ordre de 1015 Hz) donc de très petite longueur d'onde (L=C/f = 300000.103/1015 = 3.10-7 m = 0,3 mm, c'est à dire de l'ordre du micromètre ou micron), ce qui permet au soleil de nous éclairer à travers l'espace intersidéral.
Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de grande fréquence (de l'ordre de 1010 Hz, soit une longueur d'onde L de l'ordre du millimètre).
De même en ce qui concerne les ondes hertziennes (radio, télévision, communications sans fil), dont la fréquence va de 104 Hz à 108 Hz (soit une longueur d'onde L de l'ordre du mètre à plusieurs milliers de mètres).
Le radar utilise des micro-ondes d'une fréquence de l'ordre de 108 à 1010 Hz, donc du gigahertz (GHz). Leur longueur d'onde L est de l'ordre du millimètre jusqu'au mètre.
Le radar a de nombreuses applications, telles que le repérage, le suivi et le guidage des avions ou des bateaux, ou la mesure de vitesse des véhicules sur les routes, pour ne parler que des plus connues.
Principe de la mesure de niveau par radar
Le principe de mesure utilisé le plus fréquemment est exactement le même que celui d'une mesure par ondes sonores ou ultrasonores.
Le dispositif mesure le temps t que met l'onde pour aller jusqu'au liquide et revenir après réflexion par la surface du liquide sous forme d'écho.
Comme pour une mesure par onde sonore ou ultrasonore, le dispositif n'émet pas l'onde électromagnétique en continu, mais de manière discontinue, à intervalles de temps constants (ex: 0,3 ms) et d'une durée brève (ex: 0,8 ns) C'est une onde pulsée (train d'onde). Cela permet de mesurer le temps t (de propagation + réflexion de la brève impulsion d'onde) et économise l'énergie électrique nécessaire.
Ce temps t mesuré est donc lié au niveau H par la même relation que dans le cas de l'onde sonore ou ultrasonore.
t = 2.(Hmax - H) / C
d'où H = Hmax - (C.t / 2)
Une astuce (échantillonnage du signal à une fréquence légèrement supérieure) permet en fait de mesurer un temps de l'ordre de la milliseconde, donc avec une bonne précision, ce qui était impossible pour un temps de l'ordre de la nanoseconde.
Réalisation de la mesure de niveau par radar
La combinaison émetteur + récepteur dans le même appareil est plus utilisée que le montage séparé, bien que puisse alors se produire un phénomène de résonance d'antenne. La vue ci-dessus à droite montre des exemples de montages combinés. L'appareil est monté sur une bride en haut du réservoir.
L'antenne la plus utilisée est l'antenne cône ci-dessus. A gauche, on peut voir le trajet des ondes en rouge. Elles sont émises par une tête émettrice conique (pointue) et canalisées par l'intérieur d'un guide-onde conique. Elles se propagent selon un lobe d'autant plus mince que la fréquence de l'onde est élevée. A droite, on voit les détails de construction de l'antenne. La tête émettrice conique est en P.T.F.E. (téflon), le cône guide-onde étant métallique (ex: inox).
Lorsque, par exemple, on ne dispose pas d'une bride mais d'une ouverture de petit diamètre dans le réservoir pour passer l'antenne, on peut utiliser l'antenne tige ci-dessus. Mais celle-ci ne doit pas être atteinte par le produit dont on mesure le niveau.
Montage de l'appareil de mesure à l'extérieur du réservoir
Un réservoir avec un toit en plastique (isolant de faible constante diélectrique, laissant passer l'onde sans trop l'affaiblir, tel que le P.V.C, le P.T.F.E,...) permet de placer l'appareil à l'extérieur.
Mesure par radar "tubo-guidé" (pour les liquides)
Lorsque la constante diélectrique du liquide est faible, pour concentrer le rayonnement de l'onde et récupérer un écho suffisant sans échos parasites (si ce n'est celui du fond du réservoir), on peut utiliser un tube guide-onde. Ce tube doit être percé de petits trous pour que le liquide à l'intérieur soit homogène avec le liquide autour du tube.
Ce tube peut aussi être en dérivation sur le réservoir ce qui facilite une intervention sur le dispositif de mesure. Un robinet d'isolement peut aussi être placé à l'extérieur en haut du tube.
Mesure par radar "filo-guidé" (liquides ou solides)
Ici, l'onde suit une tige pleine ou un fil tendu par un contrepoids ou arrimé au fond du réservoir. L'onde est donc là aussi bien canalisée et l'écho est exploitable même avec un liquide ou un solide de faible constante diélectrique. Comme avec un tube, les parois du réservoir peuvent être proches du fil sans produire des échos parasites. Les caractéristiques du produit (constante diélectrique, granulométrie) peuvent varier sans que cela perturbe la mesure. Ce dispositif convient aussi pour les liquides moussants ou agités avec un fil arrimé. La mesure est même peu influencée par un colmatage, les ondes suivant le guide et contournant le produit accroché. Mais ce n'est plus une mesure sans contact avec le produit.
Autre principe de mesure par onde électromagnétique: la modulation FM-CW.
Le dispositif émet en continu une onde dont il fait varier la fréquence de manière linéaire en fonction du temps. Ainsi, en comparant la fréquence de l'écho reçu avec celle de l'onde émise à cet instant précis, il en déduit le temps DT écoulé donc le niveau H.
Avantages et inconvénients de la mesure de niveau par radar
Mais ce temps t est ici très différent. Il passe en effet de l'ordre de la milliseconde (ms) à celui de la nanoseconde (1ns = 10-9s), la vitesse de propagation passant de quelques centaines de mètres par seconde à 300000 km/s.
D'autre part, le liquide absorbe la puissance rayonnée par l'onde électromagnétique d'autant plus que sa constante diélectrique relative
eR est faible. L'écho obtenu avec un solvant, un hydrocarbure ou certains solides
(eR de l'ordre de 1 à 3) est donc beaucoup plus faible que celui obtenu avec un liquide conducteur comme l'eau (eR=80), ce qui peut poser problème car l'écho reçu doit être correctement détecté.
Appelons C la vitesse de propagation de l'onde électromagnétique dans la phase gazeuse ou vapeur située au-dessus du liquide dans le réservoir.
C=3.108m/s.
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
L'appareil fait le filtrage nécessaire (élimination des échos parasites), et traduit le temps t mesuré en un signal de mesure standard (ex: 4..20 mA).
Pour les hautes températures, la tête émettrice peut être construite en céramique (oxyde d'aluminium).
Ce dispositif est aussi adapté lorsque la surface du liquide est couverte de mousse ou que le liquide est agité. Mais ce n'est plus une mesure sans contact avec le produit.
Le guidage peut aussi s'effectuer avec deux tiges ou deux câbles parallèles assez proches mais avec un plus grand risque de colmatage.
Ce dispositif permet de mesurer un niveau interface dont le produit le moins dense est non conducteur avec une constante diélectrique peu élevée. Les constantes diélectriques des deux liquides doivent être connues.
En réalité, la fréquence émise varie en dents de scie entre deux fréquences (par exemple entre 9 et 10 GHz).
Si ce dispositif utilise le même type d'antenne que le précédent, il nécessite une électronique plus complexe pour analyser et éliminer les échos parasites (par exemple, dus aux parois du réservoir). De plus, l'onde étant émise en continu, la puissance électrique nécessaire est beaucoup plus importante. Mais apparaissent aujourd'hui des radars FM-CW avec mesure discontinue (une mesure par seconde) moins gourmands en énergie et réalisables en technologie 2 fils 4 .. 20 mA..
- mesure sans contact, utilisable dans un très grand nombre d'applications: avec des produits liquides très corrosifs, visqueux, moussants, agités, des solides en vrac, pulvérulents, granuleux, ou colmatants (à condition que l'écho soit suffisant)
- principal inconvénient de cette mesure: le produit dont on mesure le niveau doit avoir une constante diélectrique relative
eR
suffisante pour bien réfléchir l'onde (écho exploitable). Par exemple, certains hydrocarbures ou solides ayant une constante diélectrique relative inférieure à 3 posent problème. Un radar tubo-guidé ou filo-guidé peut alors être utilisé mais on perd les avantages de la mesure sans contact.
- excellente précision, par exemple ± 1 mm, soit ±0,1 % pour une étendue de mesure de 1 m, lorsque les conditions de mesure sont bonnes, en particulier si le produit n'est pas agité ou moussant.
- mesure faussée avec des liquides très moussants ou des solides pulvérulents formant talus, colmatants, ou dont la granulométrie modifie la direction de l'écho détecté. Le radar tubo ou filo-guidé peut aussi être utilisé dans ce cas avec les inconvénients du contact avec le produit.
- montage facile, en haut de réservoir sans perçage du fond ou de sa paroi latérale, et même entièrement à l'extérieur avec un réservoir dont la partie supérieure est en plastique
- prix encore élevé pour une mesure de précision
- influence négligeable de la température de la phase gazeuse, sa pression ayant une influence faible qui peut même être corrigée automatiquement avec un capteur de pression. La composition de cette phase gazeuse (vapeurs, condensats, brouillards, poussières, ... ) n'influence pas la mesure.
- 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.
- pratiquement aucune maintenance nécessaire
- gamme d'étendues de mesure assez large (variations de niveau de quelques dizaines de centimètres à plus de 30 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.
- réglage et étalonnage pouvant se faire en dehors du site , sans vidanger ou remplir le réservoir