Mesure du niveau d'eau radar et ultrasonore

1. Différences entre les mécanismes de mesure physique et les principes de fonctionnement pour la mesure au niveau industriel

Dans le domaine de l'ingénierie hydraulique, des systèmes d'aqueduc municipaux et du contrôle des processus industriels, la mesure de niveau continu est un élément central des systèmes automatisés de surveillance et d'acquisition de données tels que SCADA. Bien que les compteurs radar de niveau d'eau et les compteurs ultrasoniques de niveau d'eau puissent fournir des sorties analogiques standard de 4 à 20 mA ou des signaux numériques RS-485 Modbus RTU, il existe des différences fondamentales dans leurs mécanismes de transmission physique sous-jacents.

1. 1 capteur de niveau d'eau radar: mécanisme de transmission électromagnétique haute fréquence

Les capteurs de niveau d'eau radar, y compris le radar sans contact pulsé/FMCW et le radar à ondes guidées (GWR), fonctionnent en fonction de la propagation des ondes électromagnétiques. L'antenne radar transmet des ondes électromagnétiques à haute fréquence, généralement des micro-ondes de 26 GHz ou de 80 GHz, ou des impulsions TDR à haute fréquence. Ces ondes électromagnétiques traversent l'air ou le long de la trajectoire de mesure à environ la vitesse de la lumière, environ 3 × 10⁸ m/s.

Lorsque l'onde électromagnétique atteint la surface du liquide mesuré, une partie de l'onde est réfléchie en raison de la discontinuité de la constante diélectrique entre l'air et le milieu mesuré. L'onde réfléchie est reçue par l'antenne. Le système calcule la distance D du plan de référence du capteur à la surface du liquide en mesurant la différence de temps Δt entre la transmission et la réception, en utilisant la réflectométrie du domaine temporel (TDR) ou la technologie à ondes continues modulées en fréquence (FMCW):

D = (c × Δt) / 2

Comme la propagation des ondes électromagnétiques n'exige pas un milieu gazeux comme vecteur de transmission, les compteurs d'eau radar peuvent aussi fonctionner normalement dans un vide. Leur vitesse de propagation n'est pas affectée par la densité, la température, la pression ou la concentration de vapeur.

Processus de mesure radar

Étape 1 – Transmission :L'antenne radar émet des ondes électromagnétiques à haute fréquence.

Étape 2 – Propagation :Les ondes électromagnétiques se déplacent à une vitesse approximative de la lumière et n'exigent pas l'air ou un autre milieu gazeux comme vecteur de propagation.

Étape 3 – Réflexion :Lorsque les ondes électromagnétiques atteignent la surface liquide, une partie du signal est réfléchie en raison de la différence de constante diélectrique εr entre l'air et le milieu mesuré.

Étape 4 – Réception :L'antenne radar reçoit le signal d'écho réfléchi.

Étape 5 – Calcul de la distance :L'instrument calcule la différence de temps de propagation Δt et détermine la distance en utilisant

D = (c × Δt) / 2.

1. 2 Compteur de niveau d'eau à ultrasons : Mécanisme à ondes acoustiques mécaniques à haute fréquence

Les compteurs à ultrasons utilisent l'effet électrostrictif des cristaux piézoélectriques pour générer des ondes sonores à haute fréquence, généralement des ondes mécaniques de 20 kHz–200 kHz. Les ondes sonores se propagent vers le bas dans l'air à la vitesse du son v. Quand ils atteignent la surface liquide, une réflexion acoustique est générée par la discontinuité dans l'impédance acoustique. Le transducteur, ou sonde, reçoit l'écho et le convertit en signal électrique. La distance est calculée selon la formule suivante:

D = (v × Δt) / 2

Les ondes sonores sont des ondes mécaniques, et leur propagation dépend fortement du transfert d'énergie par collisions entre molécules de gaz. La vitesse du son v dans l'air est significativement affectée par la température des gaz. Une formule approximative de vitesse de propagation pour l'air idéal est:

v ≈ 331.5 + 0.607 × T (m/s)

où T est la température ambiante en degrés Celsius (°C). Bien que les émetteurs à ultrasons industriels comprennent normalement un capteur de compensation de température PT100 intégré, les variations de vitesse acoustique peuvent encore causer des erreurs de mesure dans des environnements extérieurs ou industriels où des gradients de température, une stratification des gaz ou des vitesses de vent élevées sont présents.

Processus de mesure par ultrasons

Étape 1 – Transmission :Le transducteur piézoélectrique émet des ondes sonores mécaniques à haute fréquence.

Étape 2 – Propagation :Les ondes sonores traversent l'air ou un autre milieu gazier à la vitesse locale du son.

Étape 3 – Réflexion :Lorsque les ondes sonores atteignent la surface liquide, les différences d'impédance acoustique font réfléchir une partie de l'énergie sonore.

Étape 4 – Réception :Le transducteur reçoit l'écho acoustique réfléchi et le convertit en signal électrique.

Étape 5 – Calcul de la distance :L'instrument applique la compensation de température à la vitesse sonore et calcule la distance en utilisantD = (v × Δt) / 2.

2. Comparaison des paramètres techniques clés et des limites de fonctionnement

Pour une sélection précise des équipements pour les applications de mesure industrielle et de surveillance hydraulique, le tableau suivant compare les paramètres techniques des capteurs de niveau d'eau radar industriels METRAVON et des compteurs de niveau d'eau à ultrasons dans des conditions de fonctionnement exigeantes:

3. Analyse de l'interférence des facteurs environnementaux complexes

3. 1 Variations de densité de gaz, poussière et vapeur

Compteur de niveau d'eau à ultrasons :Lorsque les ondes sonores traversent de fortes concentrations de poussières, telles que celles trouvées dans les silos de ciment ou les canaux miniers, ou par des concentrations élevées de vapeur d'eau, comme dans les tours de refroidissement des centrales électriques ou les réservoirs de mélange d'asphalte, une grande quantité d'énergie acoustique peut être dispersée et absorbée par des particules en suspension. Cela provoque une forte atténuation du signal et peut même entraîner une perte complète de l'écho. De plus, s'il existe une stratification du gaz ou une densité de gaz inégale à l'intérieur du récipient, une réfraction acoustique peut survenir en raison de changements de vitesse sonore, entraînant des erreurs de mesure systématiques importantes.

capteur de niveau d'eau radar :Les micro-ondes ont de fortes capacités de propagation et ne sont pas affectées physiquement par la poussière, la vapeur d'eau ou la brume en suspension. Les caractéristiques de propagation du radar à ondes millimétriques de 80 GHz permettent de renvoyer de manière fiable les réflexions de surface liquide, même dans des conditions de fonctionnement extrêmement poussiéreuses ou saturées de vapeur.

3. 2 vagues de surface liquide et turbulence

Compteur de niveau d'eau à ultrasons :Lorsque les ondes sonores mécaniques rencontrent une surface liquide très fluctuante ou une surface liquide recouverte de grandes quantités de mousse, une réflexion diffuse peut se produire. Par conséquent, la majeure partie de l'énergie acoustique réfléchie ne peut pas revenir à la sonde le long de la trajectoire de propagation initiale, ce qui peut entraîner des alarmes en zone aveugle ou une perte de mesure.

capteur de niveau d'eau radar :Les émetteurs radar à haute fréquence intègrent des algorithmes avancés de suivi dynamique tels que la suppression des échos et le filtrage des faux échos. Même lorsque la surface liquide est enroulée, turbulente ou recouverte de mousse légère, les compteurs d'eau radar METRAVON peuvent encore identifier et suivre l'écho de la surface liquide à partir du bruit de fond.

3. 3 Structures de citernes internes et angle de faisceau d'installation

L'angle de faisceau d'un émetteur à ultrasons se situe généralement entre 6° et 12°, ce qui signifie que l'énergie transmise est relativement dispersée. Lorsque des côtes de renfort, des tuyaux, des échelles, des pompes ou d'autres structures internes sont présents à l'intérieur d'un réservoir ou mesurent bien, les ondes sonores peuvent facilement réfléchir à partir de ces obstacles et générer de faux signaux de niveau.

Les capteurs de niveau d'eau radar METRAVON 80 GHz peuvent réduire l'angle du faisceau de transmission à environ 3°. Le faisceau très concentré et extrêmement étroit peut plus facilement éviter les structures internes du réservoir et les buses de montage étroites, se diriger directement vers la surface liquide et réduire considérablement les restrictions d'espace d'installation dans les applications sur le terrain.

4. Recommandations de sélection pour les applications industrielles typiques

Au cours de l'acquisition et de la conception de projets d'ingénierie, la technologie appropriée devrait être choisie en fonction des caractéristiques moyennes, de l'espace disponible pour l'installation et du budget du projet:

Processus de sélection de la mesure de niveau

Étape 1 – Évaluer l'environnement du processus :Déterminer si l'application implique de la poussière, de la vapeur, une température élevée, une pression élevée, un espace d'installation restreint ou un milieu à faible teneur en diélectrique.

Étape 2 – Conditions industrielles défavorables :Pour les poussières élevées, les vapeurs lourdes, les températures élevées ou la haute pression, sélectionnez uneÉmetteur radar de niveau sans contact de 80 GHz, comme la série METRAVON R-80.

Étape 3 – Espace restreint ou faible constante diélectrique :Pour les petits bateaux, les espaces confinés ou les milieux à faible teneur en diélectrique, considérerradar à ondes guidées (GWR), comme le METRAVON GWR-70.

Étape 4 – Applications générales de l'eau et des canaux ouverts :Pour la température ambiante, les applications de l'eau sous pression atmosphérique sans interférence grave de la vapeur ou de l'environnement,à ultrasons, comme le METRAVON UT-20, peut fournir une solution rentable.

4. 1 Applications où les compteurs de niveau d'eau à ultrasons sont préférés

Mesure du débit de drainage municipal et hydraulique à canal ouvert:Dans les flumes Parshall ouverts, les déversoirs triangulaires et les applications de surveillance du niveau d'eau de la rivière sans interférence de vapeur, les compteurs de niveau d'eau ultrasoniques offrent une excellente performance de coût. Leur installation sans contact élimine également les exigences d'entretien liées à la corrosion.

Réservoirs d'eau à température ambiante, à pression atmosphérique et à eau propre:Pour les bassins de traitement de l'eau propre, les réservoirs d'eau de feu et les canaux d'irrigation agricole sans fluctuations de température sévères ou action forte des vagues, la technologie ultrasonore peut fournir une mesure stable et fiable tout en contrôlant le coût global du projet.

4. 2 Applications où les capteurs de niveau d'eau radar sont préférés

Navires de stockage poussiéreux dans les mines et l'industrie du ciment:Les environnements à haute poussière peuvent causer un échec total de la mesure par ultrasons. Un émetteur radar de 80 GHz est un choix standard pour la mesure continue dans les applications à haute poussière.

Réservoirs de mélange d'asphalte, réservoirs de stockage d'hydrocarbures et réservoirs de stockage de produits chimiques :Pour les composés organiques volatils (COV), les concentrations élevées de vapeur et les environnements à haute température au-dessus de 80 °C, les compteurs radar de niveau d'eau ne sont pas affectés par les changements des propriétés réfractaires de vapeur de la même manière que les instruments à ultrasons.

Puits profonds et réacteurs avec agitateurs complexes:L'angle étroit du faisceau radar de 80 GHz permet au signal de passer à travers des espaces confinés et d'atteindre la surface liquide tout en évitant les faux échos générés par les lames d'agitateurs.

Liquides à faible teneur en diélectrique tels que gaz liquéfié et produits pétroliers légers:Sélectionnez un compteur radar à ondes guidées METRAVON (GWR). En concentrant l'énergie des ondes électromagnétiques le long d'une sonde métallique, on peut mesurer en continu le millimètre dans des applications avec des constantes diélectriques aussi basses qu'environ 1. 4.

FAQ

Q1 : Pourquoi les mesures du niveau d'eau à ultrasons peuvent-elles différer entre le jour et la nuit lorsque l'instrument est installé à l'extérieur ?

A:La cause directe est une compensation inefficace des gradients air-température. La mesure par ultrasons dépend de la vitesse du son, et la vitesse du son change avec la température. Pour chaque augmentation de température de 1 °C, la vitesse du son augmente d'environ 0. 6 m/s. Bien que le capteur ait un élément de compensation de température intégré, la compensation peut devenir inexacte lorsque le rayonnement solaire direct chauffe le boîtier de la sonde de sorte que la température interne du capteur est significativement plus élevée que la température réelle de l'air le long de la trajectoire de propagation acoustique. Cela peut entraîner une déviation de la mesure.

Recommandation concernant les achats :Les compteurs d'eau à ultrasons extérieurs devraient être équipés d'un bouclier solaire. Pour les applications de surveillance hydrologique à haute précision, il est recommandé d'utiliser un compteur radar de niveau d'eau METRAVON 80 GHz, qui n'est pas affecté de la même manière par le champ de température de l'air.

Q2: Comment une faible constante diélectrique, ou faible εr, affecte-t-elle un compteur radar de niveau d'eau, et comment peut-on résoudre le problème?

A:La constante diélectrique détermine la proportion d'énergie électromagnétique réfléchie à partir de la surface du milieu. Lorsque la constante diélectrique est très faible, comme le diesel avec εr d'environ 2. 1 ou gaz liquéfié avec εr d'environ 1. 4, une grande partie de l'énergie micro-ondes sans contact peut pénétrer dans le milieu au lieu d'être réfléchie. Cela affaiblit le signal réfléchi et peut rendre difficile l'identification de l'écho correct par l'électronique du récepteur.

Solutions et conditions de sélection :

Sélectionnez un compteur radar de niveau d'eau METRAVON 80 GHz avec une énergie transmise hautement concentrée.

Sélectionnez un compteur radar à ondes guidées METRAVON (GWR), qui utilise une sonde coaxiale ou une sonde de type câble pour guider les ondes électromagnétiques et minimiser la perte d'énergie.

Q3 : Les compteurs radar peuvent-ils remplacer complètement les compteurs ultrasoniques ?

A:Du point de vue des performances techniques, la technologie radar peut fournir un remplacement fonctionnel complet. Les capteurs de niveau d'eau radar offrent des avantages en matière de précision, de résistance à la température et à la pression, de résistance aux interférences environnementales comme la poussière, la vapeur, le vent et les variations de température, et de contrôle de l'angle de faisceau.

Recommandation concernant les achats :Le choix du matériel devrait équilibrer les besoins techniques par rapport au budget du projet. Les compteurs de niveau d'eau à ultrasons conservent un avantage de coût important dans les applications ordinaires d'eau fonctionnant à température ambiante et à pression atmosphérique sans interférence de vapeur. Si le budget du projet est suffisant ou si les conditions d'exploitation sont exigeantes, il faudrait envisager de mettre à niveau l'ensemble du système de mesure au radar.

Q4: Quel type de compteur de niveau d'eau permet une mesure plus stable dans les réservoirs de traitement des eaux usées avec de grandes quantités de mousse?

A:La mousse peut absorber l'énergie acoustique et micro-ondes. Cependant, le radar à ondes guidées (GWR) fournit généralement la plus grande stabilité dans ce type d'application parce que la sonde à ondes guidées peut passer directement par la couche de mousse de surface et mesurer la véritable interface liquide ci-dessous en utilisant des signaux électromagnétiques à haute fréquence. Si la mesure sans contact est obligatoire, un radar à haute fréquence de 80 GHz avec algorithmes de suivi multiécho devrait être sélectionné. Les compteurs à ultrasons sont plus susceptibles de perdre le signal en raison de la réflexion diffuse dans ces conditions.

Q5: Quel impact technique pratique la zone aveugle a-t-elle sur la mesure du niveau?

A:La zone aveugle est la distance minimale directement au-dessous de la sonde du capteur dans laquelle la mesure efficace ne peut être effectuée. En raison du temps d'arrêt de l'anneau du transducteur, les compteurs à ultrasons ont généralement une zone aveugle relativement grande d'environ 0. 25 m–0. 8 m. Si le niveau de liquide monte dans cette zone, le capteur peut émettre un signal à pleine échelle incorrect, ce qui crée un risque potentiel de débordement du réservoir. Les capteurs de niveau d'eau radar ont généralement une zone aveugle beaucoup plus petite, généralement approximativement 0. 05 m–0. 1 m, ce qui peut améliorer considérablement la capacité de stockage-citerne utilisable.

Q6: Comment choisir les technologies ultrasoniques et radar pour les applications de mesure du débit à canaux ouverts comme les flumes Parshall?

A:Sélectionnez un compteur de niveau d'eau ultrasonore dans les conditions suivantes : eaux pluviales municipales ou eaux usées canaux ouverts sans vapeur d'eau importante, pas de vent fort, et un budget de projet limité.

Sélectionnez un compteur radar de niveau d'eau dans les conditions suivantes : rejets industriels d'eaux usées impliquant des différences de température et de vapeur d'eau, canaux fluviaux turbulents à grande vitesse ou réservoirs extérieurs fortement touchés par le vent.

Recommandation concernant les achats :Pour les principaux projets de surveillance des rejets exploités par les autorités responsables de l'eau ou les parcs industriels, il est recommandé d'utiliser un système radar de mesure du débit à canal ouvert METRAVON pour améliorer la continuité des données de surveillance téléchargées et appuyer la conformité réglementaire.

Q7: Comment choisir le radar à ondes guidées (GWR) et le radar à haute fréquence sans contact?

A: Radar à ondes guidées :Convient à des milieux très visqueux ou adhésifs, à des liquides extrêmement faibles en diélectrique, à des réservoirs étroits à agitation sévère ou à des mesures de l'interface solide-liquide comme la mesure du niveau des boues dans les réservoirs de décantation.

Radar sans contact :Convient pour les liquides hautement corrosifs où la corrosion de la sonde doit être évitée, les milieux visqueux ou cristallisants, et les réservoirs hygiéniques de stockage alimentaire ou pharmaceutique où le contact direct de la sonde avec le milieu est interdit.

Conclusion

Il n'y a pas de supériorité absolue entre les compteurs radar et les compteurs ultrasoniques. La principale considération consiste à adapter le principe de mesure aux conditions réelles de fonctionnement. En raison de leur grande rentabilité, les compteurs de niveau d'eau ultrasoniques demeurent une solution pratique pour les applications ordinaires à canaux ouverts et les réservoirs d'eau conventionnels fonctionnant à température ambiante et à pression atmosphérique. Les compteurs d'eau radar, particulièrement les radars à micro-ondes à haute fréquence 80 GHz et les radars à ondes guidées, sont devenus des instruments de mesure critiques pour les procédés industriels complexes, les réservoirs dangereux et la surveillance hydrologique à haute précision en raison de leur forte résistance physique aux interférences de la température, de l'humidité, de la pression, de la vapeur et de la poussière.

En tant que fournisseur de solutions industrielles de mesure des processus et de surveillance hydraulique, METRAVON offre une gamme complète de produits couvrant les radars haute fréquence de 80 GHz, les radars à ondes guidées et les émetteurs à ultrasons industriels. METRAVON offre également un support personnalisé pour la sélection des équipements et l'intégration des signaux dans des conditions d'exploitation complexes. Pour optimiser votre solution de mesure de niveau ou obtenir des spécifications techniques détaillées et le prix du projet, veuillez contacter l'équipe d'ingénierie technique METRAVON.

Ressources connexes

Compteurs radar · Mesure des niveaux

Auteur: Arvin · Source: METRAVON Instruments