Transmetteurs de niveau à ultrasons ou radar : principes, applications et guide de sélection

Les émetteurs de niveau à ultrasons et à radar sont deux technologies sans contact largement utilisées pour la mesure continue du niveau de liquides et de matériaux solides en vrac. Ces deux technologies déterminent la distance entre le capteur et la surface du matériau, mais elles utilisent des types de signaux différents et se comportent donc différemment en fonction des variations de température, de pression, de vapeur, de mousse, de poussière ou d'autres conditions de procédé.

Les instruments ultrasoniques utilisent des ondes acoustiques, tandis que les instruments radar utilisent des ondes électromagnétiques. Cette différence de principe de mesure explique principalement pourquoi ces deux technologies présentent des limites d'application distinctes. Le choix doit être fondé sur l'environnement du procédé, la précision requise, les conditions d'installation et le coût total du projet.

1. Comment fonctionne un émetteur de niveau ultrasonique ?

Un transmetteur de niveau à ultrasons est installé au-dessus de la surface du matériau et émet un pulse acoustique vers le liquide ou le solide. Ce pulse est réfléchi par la surface puis capté à nouveau par le transducteur.

L'instrument calcule la distance à partir du temps de trajet aller-retour :

Distance = Vitesse du son × Temps aller-retour ÷ 2

Lorsque la hauteur de référence d'installation est connue, le niveau réel peut être déterminé selon la formule suivante :

Niveau = Hauteur de référence − Distance mesurée

Étant donné que l'onde sonore se propage à travers l'espace gazeux situé entre le capteur et la surface du matériau, des variations de la température de l'air, de la composition du gaz ou de la pression de vapeur,L'accumulation de mousse et un flux d'air suffisant peuvent influencer la propagation du son ainsi que la qualité de l'écho. C'est pourquoi les émetteurs ultrasoniques industriels recourent fréquemment à une compensation thermique afin de réduire les erreurs liées à la température.

2. Comment fonctionne un émetteur de niveau radar ?

Un émetteur de niveau radar émet des ondes électromagnétiques à haute fréquence depuis une antenne vers la surface du matériau. Ces ondes sont réfléchies par le liquide ou le solide, puis captées par l'antenne.

L'instrument détermine la distance en fonction du temps de propagation du signal ou, dans le cas du radar FMCW, à partir de la différence de fréquence entre les signaux émis et réfléchis.La distance mesurée est ensuite convertie en niveau réel.

Le radar ne dépend pas de la vitesse du son dans l'air et peut fonctionner dans des conditions de vide. Il est généralement moins sensible aux variations de température de l'air, de pression et de débit d'air. Les performances réelles du radar sont davantage influencées par les propriétés diélectriques, la conception de l'antenne, la mousse, la condensation, la poussière et la géométrie d'installation.

3.Principales différences entre la mesure de niveau par ultrasons et celle par radar :

– Élément de comparaison ;	– Émetteur de niveau par ultrasons ;	– Émetteur de niveau par radar ;
– Signal de mesure ;	– Onde acoustique à haute fréquence ;	– Onde électromagnétique / micro-ondes ;
– Méthode de mesure ;	– Mesure sans contact ;	– Mesure sans contact ;
– Variations de température	La vitesse du son varie en fonction de la température ; une compensation est donc généralement nécessaire.	: moins sensible aux variations de température de l'air.
: pression de processus.	: plus couramment utilisée sous pression atmosphérique ou sous pression limitée.selon le modèle :	— versions industrielles disponibles pour des applications sous vide et sous pression plus élevée ;
— conditions de vapeur ou de gaz ;	— une forte concentration de vapeur ou une variation de la composition du gaz peut affecter la propagation ;	— généralement adapté à un large éventail de conditions en phase gazeuse ;
— mousse ;	— une mousse épaisse peut atténuer considérablement l'écho acoustique ;	— peut également être affecté par la mousse.selon les propriétés de la mousse et le type de radar :
– Poussière	La poussière abondante peut atténuer le signal acoustique.	Souvent plus adaptée aux applications en milieu solide poussiéreux.
Vide.	Non adaptée, car les ondes acoustiques nécessitent un milieu de propagation.	Adaptée.
Influence du milieu.	L'état de la surface et les propriétés de l'espace gazeux sont importants.	Les propriétés diélectriques et la réflectivité des échos sont également importantes.
Position typique en termes de coût.	Souvent rentable.Pour les applications classiques de mesure du niveau d'eau :	Le coût dépend de la fréquence, de la portée, de la température, de la pression, de la certification et de la configuration de l'interface.

4. Les mesures ultrasonores sont-elles limitées aux conditions atmosphériques ?

La plage de fonctionnement d'un transmetteur de niveau ultrasonore dépend du produit spécifique. Des instruments industriels sont disponibles avec différentes spécifications en matière de température de procédé, de température ambiante et de pression, de sorte que les mesures ultrasonores ne se limitent pas aux réservoirs ouverts et totalement non pressurisés.

Cependant, les ondes ultrasonores doivent se propager à travers l'espace gazeux situé au-dessus du matériau. Une température élevée, une pression accrue, une vapeur abondante, une composition gazeuse atypique ou des gradients thermiques prononcés peuvent rendre l'environnement de mesure plus exigeant. Ces conditions doivent être évaluées en fonction des spécifications du transducteur et de l'instrument sélectionnés.

5. Le radar peut-il remplacer l'ultrasons dans toutes les applications ?

Les mesures par radar et par ultrasons couvrent des domaines d'application partiellement superposés, mais distincts. Le radar offre généralement une plage de fonctionnement plus étendue dans des processus industriels exigeants — tels que ceux opérant à haute température, sous pression, sous vide, ou dans des environnements riches en vapeur. En revanche, la mesure par ultrasons demeure une solution éprouvée et économique pour de nombreux réservoirs d'eau, bassins de traitement des eaux usées, canaux ouverts, ainsi que pour des applications atmosphériques conventionnelles.

La technologie finale doit être choisie en fonction des conditions du procédé, des performances de mesure requises, des contraintes d'installation et du coût du projet, plutôt que de considérer l'une des technologies comme un substitut universel à l'autre.

6. Quelle technologie est la plus adaptée en présence de mousse ?

La mousse constitue une condition difficile pour les deux technologies. Une couche épaisse de mousse peut absorber l'énergie ultrasonore et réduire considérablement l'écho réel entre le liquide et la surface.Le radar peut également être atténué ou réfléchi par de la mousse, selon l'épaisseur de cette mousse, sa teneur en eau, sa structure en bulles, les propriétés du milieu et sa fréquence de fonctionnement.

Une mousse légère ou intermittente peut encore permettre une mesure fiable avec l'une ou l'autre des deux technologies. Une mousse dense et persistante pourrait nécessiter une comparaison plus approfondie entre le radar sans contact, le radar à ondes guidées, la mesure fondée sur la pression ou toute autre technologie adaptée au niveau de mesure en question.

7. Quelle technologie est la plus adaptée aux silos de matériaux solides en vrac et poussiéreux ?

Les technologies ultrasonores et radar peuvent être utilisées pour certaines applications impliquant des matériaux solides en vrac, mais la présence de poussière, de surfaces de matériaux inclinées et la diffusion acoustique peuvent réduire la portée d'utilisation des instruments ultrasonores.

Les radars à haute fréquence, en particulier 80GHz Radar, fournit un faisceau étroit qui peut aider à éviter les murs de silo, les poutres et les structures internes. Il est donc largement utilisé dans les silos de ciment, de céréales, de minéraux, de charbon et de matières premières chimiques.

La sélection doit toujours prendre en compte la concentration de poussière, la hauteur du silo, l'angle entre le matériau et la surface du silo, les propriétés diélectriques ainsi que la position de montage disponible.

8. Quelle technologie offre une précision supérieure ?

La précision de la mesure ne peut pas être déterminée uniquement par les mots «radar» ou «ultrasons». Différents instruments ont des classes de précision, des plages de mesure, une capacité de traitement du signal et des limites d'application différentes. La qualité de l'installation et les conditions du processus influencent également les performances réelles sur le terrain.

Le radar assure généralement des mesures stables sur une large gamme de conditions de température, de pression et de vapeur, offrant ainsi davantage d'options de produits pour des applications exigeantes en matière de contrôle de processus et de stockage. Dans les applications classiques de mesure de niveau d'eau, où la stabilité est requise, les instruments ultrasoniques peuvent également offrir une précision conforme aux exigences du projet.

– 9. Comment se comparent les coûts ?

Il n'existe pas de rapport de prix fixe entre les émetteurs de niveau à radar et ceux à ultrasons. Le coût du produit dépend de la portée de mesure, de la conception radar ou acoustique, de la précision, de la température et de la pression du procédé, de la protection de l'enceinte, de la certification pour zones à risques, des matériaux utilisés, de la structure de l'antenne ou du transducteur, ainsi que des interfaces de communication.

Pour la mesure conventionnelle du niveau d'eau atmosphérique, les émetteurs ultrasoniques constituent souvent une solution économique. Pour les réservoirs fonctionnant à haute température ou sous pression, les procédés sous vide, les vapeurs lourdes ou les silos poussiéreux, l'usage plus étendu du radar peut mieux répondre aux exigences techniques.

10. Quelle technologie convient à quelles applications ?

Réservoirs d'eau

Les ultrasons et le radar peuvent être utilisés. La sélection peut être basée sur l'environnement, la précision requise et le budget du projet.

Bassins d'eaux usées

La mousse, la vapeur et le mouvement de surface doivent être pris en compte. L'ultrason convient à beaucoup de conditions conventionnelles, alors que le radar peut être évalué pour des environnements plus exigeants.

Réservoirs haute température ou pressurisés

Les instruments radar avec des cotes de température et de pression appropriées sont généralement évalués en premier.

Vaisseaux à vide

Le radar utilise des ondes électromagnétiques et convient à la mesure du niveau de vide.

Silos solides en vrac

Poussière élevée, longue plage de mesure et géométrie complexe du silo favorisent souvent les radars à haute fréquence.

Canaux ouverts

La mesure ultrasonique bénéficie d'une longue tradition d'utilisation et d'un avantage en matière de coût, tandis que le radar peut également être retenu en fonction des conditions environnementales.

11. Quelles informations sont nécessaires pour la sélection ?

Paramètre de sélection	Informations de confirmation
Milieu de procédé	Eau, eaux usées, huile, liquide chimique, boue, poudre ou granulés
Plage de mesure	Distance maximale entre le capteur et le niveau le plus bas prévu
Température de procédé	Températures de fonctionnement normales, minimales et maximales
Pression de procédé	En plein air, atmosphérique,Conditions de pression positive ou de vide :
– État de surface	Mousse, mouvement, agitation ou surface en pente en vrac-solide
Conditions gazo-spatiales	Vapeur, gaz volatils, gradients de température ou poussière
Environnement d'installation	Diamètre du réservoir, buse, poutres, agitateurs et espace de montage disponible
Interface de sortie	4-20mA, HART, RS485 Modbus RTU ou autre interface requise

FAQ

Q1: Le radar est-il toujours meilleur que la mesure de niveau ultrasonique?

A1 : Les deux technologies ont des domaines d'application distincts. Le radar est couramment utilisé dans des conditions exigeantes en matière de température, de pression, de vide, de vapeur ou de poussière, tandis que les réservoirs d'eau, les canaux ouverts et les applications atmosphériques conventionnelles peuvent recourir à l'une ou l'autre technologie selon les exigences du projet.

Q2 : Les émetteurs de niveau ultrasonores peuvent-ils être utilisés sur des réservoirs sous pression ?

A2 : Certains modèles peuvent fonctionner sous pression limitée.La pression de processus admissible dépend de la conception du transducteur et de l'instrument. Pour les récipients à haute pression, une évaluation par radar ou par une autre technologie appropriée est généralement nécessaire.

Q3 : Le radar est-il affecté par la mousse ?

A3 : Oui. L'effet dépend de l'épaisseur de la mousse, de sa teneur en eau, de la structure de ses bulles, de la fréquence du radar ainsi que des propriétés du milieu de traitement. Mousse dense et persistante doit faire l'objet d'une évaluation spécifique.

Q4 : Pourquoi la mesure ultrasonique nécessite-t-elle une compensation de température ?

A4 : La vitesse du son dans l'air varie en fonction de la température. La compensation de température corrige le calcul de cette vitesse et réduit ainsi l'erreur de distance liée à la température.

Q5 : Le radar peut-il fonctionner dans un vide ?

A5 : Oui. Le radar utilise des ondes électromagnétiques et ne nécessite pas d'air comme milieu de propagation. L'instrument retenu doit néanmoins satisfaire aux spécifications requises en matière de température de traitement, de pression et de performance mécanique.

Q6 : Les solides en vrac devraient-ils être mesurés par ultrasons ou par radar ?

A6 : Les deux technologies peuvent être utilisées pour certains types de solides.Pour les applications de silos à forte charge de poussière, à longue portée ou complexes, on privilégie souvent un radar à haute fréquence, tandis que pour des applications plus simples à courte portée, on peut également recourir à une mesure ultrasonique.

Q7 : Un émetteur de niveau à radar coûte-t-il systématiquement le double d'un émetteur ultrasonique ?

A7 : Non. Il n'existe pas de rapport de prix fixe. Le coût dépend de la plage de mesure, de la fréquence, de la précision, des matériaux utilisés, de la plage de température et de pression, de la protection, de la certification ainsi que des interfaces de communication.

Q8 : Ces deux technologies peuvent-elles se connecter à un automate programmable (PLC) ?

A8 : Oui. Selon l'instrument, des interfaces telles que 4-20mA, RS485 Modbus RTU et HART peuvent être utilisées pour l'intégration avec des PLC, des systèmes de contrôle distribués (DCS), des unités de traitement de données (RTU) et des systèmes d'acquisition de données.

— Conclusion

La différence principale entre les émetteurs de niveau à ultrasons et ceux à radar réside dans le signal de mesure utilisé. Les instruments à ultrasons exploitent des ondes acoustiques, dont la propagation peut être affectée par la température de l'espace gazeux, sa composition, ainsi que par la présence de vapeurs ou de mousse. En revanche, les systèmes à radar utilisent des ondes électromagnétiques et offrent généralement une plage de fonctionnement plus étendue, même en conditions de vide ou en cas de variations de température et de pression.

Le radar ne vise pas à remplacer toutes les applications ultrasoniques, et la technologie ultrasonique ne se limite pas aux réservoirs entièrement ouverts et exempts de vapeur. Les applications classiques de mesure du niveau d'eau ou dans des canaux ouverts peuvent tirer parti de la maturité technologique et de l'efficacité économique de la mesure ultrasonique, tandis que les conditions de fonctionnement à haute température, sous pression, sous vide, en présence de vapeurs ou dans un environnement poussiéreux justifient souvent l'évaluation du radar.

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