Mesure de niveau par radar est une technique micro-ondes de temps de vol qui détermine le niveau d'un liquide, d'une boue ou d'un solide en mesurant le temps qu'une impulsion électromagnétique ou une variation de fréquence met pour aller de l'antenne ou de la sonde à la surface et revenir.
Contrairement aux appareils ultrasonores, le radar ne repose pas sur la propagation du son dans l'espace vapeur, il est donc en grande partie indifférent à la composition des gaz, à la pression et à la température.
Deux familles dominent l'usage industriel: le radar sans contact, qui envoie des micro-ondes dans l'air libre, et le radar à ondes guidées (GWR), qui envoie une impulsion le long d'une sonde immergée dans le process.
Les émetteurs radar sans contact se montent sur le dessus d'une cuve et émettent de l'énergie micro-ondes, typiquement dans les bandes 6 GHz, 26 GHz ou 80 GHz, via une corne, une tige ou une antenne plane. Le radar impulsionnel envoie de courtes rafales micro-ondes et mesure directement le temps aller-retour.
FMCW (onde continue à modulation de fréquence) transmet une variation de fréquence et déduit la distance à partir de la différence entre le signal transmis et le signal réfléchi, offrant une grande résolution à courte portée.
Des fréquences plus élevées, notamment 80 GHz, produisent un faisceau plus étroit pour une taille d'antenne donnée, réduisant les échos parasites et permettant des raccordements plus petits.
Le GWR lance une impulsion micro-ondes de faible énergie le long d'une sonde rigide ou flexible, telle qu'une tige, un tube coaxial ou un câble double, qui s'étend dans la cuve et, en service liquide, est souvent immergée jusqu'au fond.
Parce que l'impulsion voyage le long de la sonde au lieu de rayonner librement, la perte d'énergie avec la distance est bien moindre que pour le radar en espace libre, la méthode est donc parfois appelée réflectométrie dans le domaine temporel (TDR).
Le signal se réfléchit fortement à toute discontinuité diélectrique, de sorte qu'une seule sonde peut indiquer deux niveaux simultanément, par exemple une interface huile-eau. Le GWR fonctionne bien dans les buses étroites où la divergence du faisceau poserait problème à un appareil sans contact.
L'intensité du signal radar est principalement gouvernée par la constante diélectrique (permittivité relative, DK) du milieu. L'eau (DK autour de 80) réfléchit fortement; les hydrocarbures et solvants ont une faible DK, souvent aux alentours de 1,9 à 4, et donnent des échos plus faibles.
Le radar sans contact nécessite généralement une DK minimale d'environ 1,4 à 1,9, et les instruments 80 GHz peuvent étendre l'utilisation à des valeurs plus basses.
Le GWR gère mieux les milieux à faible DK puisque l'impulsion guidée concentre l'énergie le long de la sonde, les sondes coaxiales étant utilisables jusqu'à des DK proches de 1,4. Les solides et poudres ont un comportement diélectrique variable; les données du fournisseur ou un essai sur site sont donc une pratique courante.
L'ultrasonique mesure le temps de vol du son à travers l'espace vapeur et ne peut pas fonctionner sous vide; le radar tolère le vide et les atmosphères poussiéreuses puisque les micro-ondes n'ont pas besoin d'un milieu de propagation.
Comparés aux instruments à déplaceur ou à flotteur, le radar et le GWR n'ont pas de pièces mobiles mouillées et réagissent à la constante diélectrique plutôt qu'à une gravité spécifique fixe.
| Paramètre | Radar sans contact (FMCW/impulsionnel) | Radar à ondes guidées (TDR) |
|---|---|---|
| Fréquence typique | 6 GHz, 26 GHz, 80 GHz | Impulsion en bande de base, pas de fréquence en espace libre |
| Contact avec le procédé | Aucun | Sonde mouillée par le fluide du procédé |
| DK minimale pratique | Environ 1,4 à 1,9 (plus bas avec 80 GHz) | Environ 1,4 à 1,6 (sondes coaxiales) |
| Détection d'interface (deux niveaux) | Limitée, nécessite un traitement spécial | Bien adaptée, application courante |
| Adéquation aux buses étroites / colonnes montantes | Nécessite dégagement du faisceau | Excellente, énergie guidée |
| Tolérance à la turbulence et à la mousse | Modérée, dépend du faisceau | Bonne, l'énergie reste près de la sonde |
| Précision typique (dépend du fournisseur) | Précision au millimètre avec bonne réflectivité | Précision au millimètre avec bonne réflectivité |
| Norme de référence courante | IEC 61508 (SIL), ATEX/IECEx pour zones dangereuses | IEC 61508 (SIL), ATEX/IECEx pour zones dangereuses |
La mousse légère et sèche est souvent en grande partie transparente aux micro-ondes, de sorte que le radar peut mesurer à travers elle.
La mousse humide, dense ou conductrice atténue ou réfléchit le signal à sa surface supérieure, provoquant une fausse lecture haute; le GWR s'en sort généralement mieux que le radar sans contact en cas de mousse abondante parce que l'impulsion guidée reste proche de la sonde.
Les surfaces turbulentes et les éclaboussures liées au remplissage peuvent disperser la réflexion et nécessiter des filtres tels que le suivi d'écho.
Les obstructions telles que échelles, serpentins et buses dans le trajet du faisceau sans contact génèrent des échos parasites qui doivent être cartographiés lors de la mise en service; le GWR évite largement ce problème puisque la sonde définit le chemin de mesure.
Les dépôts sur l'antenne ou la sonde peuvent aussi dégrader les performances et doivent être vérifiés lors des inspections de routine.
La plupart des transmetteurs de niveau radar industriels fournissent un signal analogique 4-20 mA avec le protocole HART superposé, de sorte qu'une seule paire torsadée transporte la mesure de niveau continue (ou le volume, via une table de conversion) ainsi que des données de diagnostic telles que l'amplitude du signal et l'état de la sonde.
Le HART permet aux équipes de maintenance de suivre l'évolution de la qualité du signal et de détecter un écho dégradant ou un dépôt avant qu'il ne cause une mauvaise lecture.
L'enregistrement de ces diagnostics et de l'historique d'étalonnage dans un GMAO (CMMS) tel que Fabrico transforme la santé des transmetteurs de niveau en une tâche programmée et auditable plutôt qu'une intervention réactive après un déclenchement d'alarme.
Pour en savoir plus sur l'interprétation des signaux de boucle, voir Principes fondamentaux de la boucle de courant 4-20 mA et Notions de base du protocole HART . Lorsque les instruments de niveau et de débit partagent un procédé, consulter les types de débitmètres industriels apporte un contexte utile.
Pour organiser le suivi des inspections et des étalonnages à l'échelle de l'usine, réservez une démonstration Fabrico .
Le radar sans contact peut mesurer à travers certains hauts de cuve non métalliques si le matériau et l'épaisseur conviennent à la transmission micro-ondes, mais cela doit être vérifié auprès des données du fabricant car les pertes diélectriques dans la paroi atténuent le signal.
Le radar sans contact dans des cuves turbulentes ou étroites utilise parfois un puits de tranquillisation pour stabiliser la surface ; le radar à ondes guidées supprime en grande partie ce besoin car la sonde elle-même fournit un trajet guidé à faible turbulence.
Le radar fonctionne de façon fiable sous vide parce que la propagation des micro-ondes ne dépend pas d'un milieu gazeux comme le font les ondes ultrasonores, ce qui en fait un remplacement courant de l'ultrasonique sur les colonnes sous vide.
Les causes courantes incluent une mousse importante ou conductrice, une turbulence sévère, un milieu à constante diélectrique très faible proche de la limite de sensibilité de la technologie, ou des dépôts enrobant l'antenne ou la sonde ; les diagnostics HART tels que le suivi de l'amplitude de l'écho aident à détecter une dégradation du signal avant une perte complète.
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