Les Détecteurs De Niveau

Le 01/12/2014 à 13:30

L'essentiel

Le principe des détecteurs de niveau repose bien souvent sur des technologies simples et fiables… Il s'agit en effet de détecter la présence ou non d'un liquide ou d'un solide.

Ce segment de marché se caractérise en particulier par un très large éventail de méthodes de mesure disponibles pour les procédés et l'OEM, chacune avec ses atouts et ses limites.

Côté évolutions, les fabricants ont surtout porté leur attention sur l'électronique (fiabilité, communication, autosurveillance…) et aussi sur les conditions de température et de pression supportées accrues.

Dans les procédés industriels, on rencontre toujours soit des sondes de température, soit des transmetteurs de pression, soit des débitmètres installés. Il s'agit bien souvent d'une instrumentation destinée à la mesure continue de grandeurs physiques, dans le but de surveiller ou d'optimiser les différentes étapes de fabrication d'un produit. Il arrive toutefois, et plus souvent qu'on le pense, qu'une solution de mesure de type Tout-ou-Rien (TOR) réponde aussi bien, voire mieux encore, en termes de coûts par exemple, qu'une solution de mesure continue. Comme dans le cas du démarrage ou de l'arrêt d'une pompe pour le remplissage d'un réservoir, ou alors lorsqu'un industriel doit mettre en place des moyens de sécurité, à l'image du contrôle d'antidébordement de cuves. Ces deux exemples concernant le contrôle de niveau ne sont pas pris totalement au hasard, car le niveau est la grandeur physique la plus souvent mise en œuvre sous la forme d'une mesure continue et d'une détection – les clients confondent encore parfois les deux.

Dans cet article, nous nous intéresserons uniquement aux détecteurs de niveau, ce qui, comme nous allons le voir, représente déjà un secteur très foisonnant. La fonction d'un détecteur de niveau, également appelé contrôleur de niveau ou level switch pour les inconditionnels de l'anglais, est d'envoyer un signalTOR lorsque le niveau d'un liquide ou d'un solide atteint un certain seuil. Ce seuil peut être un seuil haut, dans le cas d'un système antidébordement de cuve, un seuil bas pour éviter le fonctionnement à vide d'une pompe ou encore un seuil à n'importe quelle hauteur du réservoir.

« Le marché est gigantesque ! lance Jacques Marionneau, directeur général de Kobold Instrumentation. Il y a un détecteur de niveau (c'est bien souvent un flotteur avec un aimant à l'extérieur) dans les cassettes de climatisation, dans nos cafetières, etc. C'est sur le marché des machines (constructeurs de moteurs pour la mesure de l'huile ou du gazole, fabricants de cuves…) que l'on retrouve le plus de détecteurs en nombre d'unités,mais pas forcément en termes de chiffre d'affaires.» En dehors des procédés faisant intervenir des produits aussi bien très aqueux que très visqueux, on retrouve la multitude d'applications qui font intervenir le stockage de produits. Par exemple, le contrôle de niveaux d'eau et d'adjuvants pour le traitement de l'eau dans les stations d'épuration, d'huile dans un carter de moteur ou encore, plus exotiques, la détection de la présence d'eau dans une salle (en cas de fuite d'une cuve), le contrôle de niveau dans des enceintes souterraines, le détecteur étant intégré dans la pompe immergée.

Une croissance liée à l'automatisation et la sécurité

« Ce sont en fait toutes les industries et toutes les applications où des transferts de matière se font » , résume Thierry Levesque, chef produits de la gamme Instrumentation chez Bürkert France. C'est ce qui peut d'ailleurs expliquer pourquoi la très grande majorité des acteurs interrogés s'accordent sur le fait que la détection de niveau est un marché en croissance. « Les raisons de cette (forte) croissance viennent de la demande accrue des utilisateurs en termes d'automatisation et de sécurité,ce qui se traduit par l'ajout de points de mesure supplémentaires dans les procédés. Même si des effets contraires comme la désindustrialisation entrent en jeu en France, on estime que le marché français représente environ 40 millions d'euros, dont la moitié pour la détection » , perçoit Benoît Blachez, chef de marchés Agroalimentaire et sciences de la vie chez Endress+Hauser France.

Dans les procédés industriels, les mesures continues côtoient très fréquemment des mesures du type Tout-ou-Rien (TOR), à l'instar des détecteurs de niveau. Les applications typiques sont le démarrage ou l'arrêt d'une pompe pour le remplissage d'un réservoir, ou lorsqu'un industriel doit mettre en place des moyens de sécurité, à l'image du contrôle d'antidébordement de cuves.

Sick

Il ne s'agit toutefois que d'une estimation «au doigt mouillé» ( voir encadré page 42 ) car, comme le précise Edil Alvarez, chef de produit instrumentation chez ifm electronic France, « nous ne savons pas ce que fera le client une fois le capteur acheté. Est-ce que ce sera pour une détection de niveau ou alors de proximité ? A cela s'ajoute aussi le fait que le marché est masqué par le segment de la pression hydrostatique et qu'il est enfin difficile de comparer un de nos capteurs avec un simple flotteur associé à un relais Reed.» Pour Kenny Heidel, responsable produits à flotteur chez Magnetrol International, « la demande de transmetteurs et de détecteurs de niveau augmente, même si une tendance qui pourrait se poursuivre est la préférence aux mesures continues au détriment des détecteurs. Mais il y a encore des marchés fidèles à ces derniers, en particulier en Asie et dans les régions du Pacifique.»

Pour David Cohen, gérant d'Engineering Mesures, « la croissance du marché des détecteurs de niveau vient des exigences nouvelles : des exigences de qualité particulières, des exigences du SIL. La certification a en effet boosté les ventes en mesures de niveau et de débit! C'est par exemple le cas dans toutes les chaufferies où la réduction du nombre de personnel présent s'accompagne de la mise en place d'une sécurité supplémentaire via des capteurs contrôlés à distance.» David Ecobichon, responsable produits Détection chez Sick France, confirme que le marché est tiré par l'agroalimentaire: « L'agroalimentaire est une industrie très stable voire en légère croissance. Les industriels cherchent à optimiser leurs process, les périodes de maintenance de leurs machines, d'où des contrôles de niveau (mesures continue et TOR) prépondérants.»

Pour la grande majorité des fournisseurs, le secteur de la détection de niveau est un marché en croissance, croissance qui vient de la demande accrue des industriels en termes d'automatisation et de sécurité, ce qui se traduit par l'ajout de points de mesure supplémentaires dans les procédés.

Krohne

Une idée du marché de la mesure de niveau

S'il n'existe pas forcément d'études portant uniquement sur la détection de niveau, on peut toutefois indiquer que le marché mondial des capteurs de niveau devrait passer, selon le cabinet d'analyses américain iRAP dans un rapport publié en décembre 2013, de 2,7 milliards de dollars en 2012 à 3,8 milliards de dollars cinq ans plus tard, soit un taux de croissance annuel moyen (CAGR) de 5,5%. La croissance 2012-2017 en Europe serait, quant à elle, très légèrement inférieure (+5%), le marché de 690,5 millions de dollars en 2011 progressant de 725,2 millions à 927,3 millions de dollars. VDC Research Group, autre cabinet d'analyse américain, prévoit un CAGR de 5,2% pour le marché mondial des technologies de mesure de niveau et de jaugeage des réservoirs, passant de 2,5 milliards de dollars en 2011 à presque 3,3 milliards de dollars en 2016. Le nombre d'appareils de mesure continue livrés resterait plus de 3,3 fois plus grand que celui des détecteurs de niveau, bien que ce marché connaisse une croissance rapide

–les transmetteurs à plongeur et les détecteurs à flotteur simple seuil représenteraient près de 81% du segment de marché des technologies mécaniques–, tirée par le besoin accru de systèmes de sécurité et de protection contre les débordements. A noter également que le segment de marché des détecteurs à flotteur multipoints devrait croître, en continuant néanmoins de représenter une fraction du marché malgré de meilleures performances et des améliorations de produits.

Il est vrai que des fabricants tels que le suisse Endress+Hauser, les allemands Baumer, Bürkert, ifm electronic, Krohne, Sick etWika s'appuient sur leur forte présence dans le secteur de l'agroalimentaire. Cette situation n'est toutefois pas l'apanage de ce secteur. « Le marché de la détection de niveau est également en croissance dans les industries de la pétrochimie, de la chimie et de l'eau (traitement de l'eau, eaux usées), nos cœurs de métier. Nous ne sommes pas leaders en détection de niveau mais nous prenons des parts de marché, sur tous les segments de marché, grâce à des produits de plus en plus élaborés, de nouvelles fonctionnalités telles que le SIL 2 et la remontée de diagnostics avancés en salle de contrôle», constate également Xavier Buire, responsable produits Niveau et température chez Emerson Process Management France.

« Il n'existe pas de technologie universelle »

Un dernier point est à signaler en ce qui concerne le marché de la détection de niveau. Sa particularité réside en effet dans un très grand nombre d'acteurs, surtout pour les applications OEM, et chacun propose facilement quatre ou cinq technologies de détection différentes ( voir tableau page 46) –et non pas une ou deux comme en mesures de température ou de pression par exemple. C'est d'ailleurs l'une des raisons qui ont poussé Wika à racheter en 2008 son compatriote Kubler, spécialiste notamment en mesure de niveau magnétique, ou encore le groupe allemand Kobold à intégrer l'espagnol Mesura afin d'étoffer son offre avec des détecteurs à palette rotative pour les applications sur les solides.

Intéressons-nous maintenant à la ribambelle des technologies mises en œuvre pour la détection de niveau. Et le terme est loin d'être galvaudé… Si l'on regarde simplement sur la page «Level sensor » du site Wikipedia, on peut dénombrer une quinzaine de technologies différentes. « On distingue les méthodes de mesure pour les liquides et celles pour les solides,sachant que certaines méthodes fonctionnent sur les liquides et les solides. C'est le cas des lames vibrantes [ou fourches, NDLR] , qui sont les plus couramment utilisées, des poires de niveau,des sondes capacitives.Les barreaux vibrants sont, eux, réservés aux solides et les sondes résistives (méthode plutôt marginale car très limitée) aux liquides », énumère Christelle Boisrame, chef de produits chezVegaTechnique.

Et la liste n'est pas finie, car viennent en effet s'ajouter les sondes conductrices pour les liquides, les membranes, les détecteurs à palette rotative pour les solides ainsi que la méthode pendulaire pour les liquides et les solides… Il ne faut pas non plus oublier les technologies non intrusives comme certains détecteurs optoélectroniques (mais pas tous comme on le verra ultérieurement). « Nous proposons par ailleurs des barrières hyperfréquences ou micro-ondes et la gammamétrie (ou radiométrie). Le fait de devoir utiliser des sources radioactives et de s détecteurs à scintillation rend ces produits très onéreux et très contraignants de par les démarches administratives imposées par les autorités. C'est une technologie vers laquelle on se tourne quand on ne peut pas faire autrement (détection à travers un réservoir métallique sans possibilité de faire un trou, par exemple) », poursuit Christelle Boisrame.

Pour les fabricants de détecteurs de niveau, disposer d'une (très) large gamme en termes de technologies permet ainsi d'être en mesure de proposer la meilleure solution pour une application. « C'est la volonté de la société, même si nous allons parfois à contre-courant de la demande du client. Il arrive que certains me demandent un détecteur à lames vibrantes, que je propose d'ailleurs, mais une autre technologie peut être mieux adaptée aux besoins de son application. Les utilisateurs ne sont pas forcément au courant de toutes les technologies existantes et les concurrents ne proposent que ce qu'ils ont dans leur catalogue », constate Jacques Marionneau (Kobold Instrumentation). Que ce soit par choix (simple complément de gamme, développement d'une méthode plus «universelle»), des raisons historiques ou de marchés cibles (l'eau par exemple), certains fabricants ont une offre plus restreinte en termes de produits et de technologies.

Wiker FCI Bürkert

Les bonnes questions à se poser

Est-ce une détection de type Tout-ou-Rien (TOR), une mesure analogique ou les deux?

Quels sont le type de produit à contrôler (liquide ou solide) et ses caractéristiques physiques (produit colmatant ou non, viscosité, densité pour définir le flotteur, constante diélectrique, conductivité thermique, présence de mousse, changement de fluides, températures maximale et minimale qu'il risque d'atteindre, cuve fermée sous pression par exemple) afin notamment de définir la compatibilité matière?

Faut-il respecter la certification Atex ou non, des normes agroalimentaires ou non, etc.?

Quel est le niveau de précision requis, les seuils de niveau doivent-ils être réglables ou non?

Quelles sont les contraintes liées à l'installation: montage par le haut (tige plutôt longue), par le bas ou le côté (tige assez courte), encombrement autour de la cuve, raccordement process, présence d'une double enveloppe ou d'autres obstacles?

Quel est le type d'exploitation du signal (raccordement sur un automate classique ou pilotage direct d'une pompe d'où branchement électrique standard, contacts secs, transistors, relais, etc.)?

De nombreuses technologies pour la détection de niveau sont disponibles sur le marché pour les liquides et les solides : les lames vibrantes, les poires de niveau, les sondes capacitives, les barreaux vibrants, les sondes résistives, les sondes conductrices, les membranes, les détecteurs à palette rotative, la méthode pendulaire, l'optoélectronique…

Endress+Hauser Emerson Process Managment Endress+Hauser Kobold

S'il existe un tel éventail de technologies, c'est que chacune présente des avantages et des inconvénients. « Le niveau est un paramètre délicat à mesurer car il n'y a pas de véritable technologie universelle.Si l'on connaît parfaitement bien le produit à contrôler,c'est facile de trouver la bonne technologie de détection ;si le process varie au cours du temps (fabrication de yaourts à la confiture par exemple), c'est plus difficile », constate Edil Alvarez (ifm electronic France).

« Les détecteurs mécaniques ont leur raison d'être »

Parmi les différentes technologies,commen-çons notre revue de détail par celles dites mécaniques. « Les points forts des poires de niveau sont un coût économique,l'absence de programmation car on choisit la longueur voulue, un principe de fonctionnement mature et simple,qui correspond bien aux applications basiques,du moment que l'on adapte le matériau de la poire au produit. Seul bémol, la précision de détection est moyenne », expliqueAntoine Dujancourt, responsable pro-duits Niveaumétrie chez Krohne France. Et Guy Deiber, responsable produits Niveau et débit chez Wika Instruments, de renchérir: « Les détecteurs à flotteur magnétique avec contact Reed voient leurs parts de marché reculer avec l'arrivée des modèles à lames vibrantes, mais ils restent une solution qui a sa raison d'être,notamment grâce à l'absence de consommation électrique – c'est un composant passif –, pour les applications de sécurité,de sécurité incendie.» Les industriels du secteur nucléaire sont particulièrement intéressés par les détecteurs à flotteur car l'absence d'électronique rend ces appareils insensibles aux rayonnements ionisants… du moment que le matériau du flotteur ne contient pas de composants organiques. Depuis l'accident intervenu à la centrale nucléaire de Fukushima Daichi, les industriels s'intéressent d'une manière beaucoup plus forte à la détection des niveaux bas dans les piscines de stockage.

« La limite pour la détection à flotteur est surtout une limite psychologique liée au fait que les concurrents ont beaucoup argumenté sur les attraits des technologies électroniques et jouent sur la peur du blocage du flotteur ou d'une casse mécanique. Les détecteurs à flotteur sont remplacés par des modèles radars, mais ces derniers présentent eux aussi des limites », affirme Guy Deiber. Il suffit que le fluide à contrôler ne cristallise pas, ne soit pas trop adhérent ou trop chargé en matières en suspension,il n'y a pas vraiment de limites à l'utilisation d'un flotteur qui peut supporter des pressions de plusieurs dizaines de bars et des températures allant de - 196 à +350°C. « Et certains anciens aiment bien encore voir la mécanique. Il ne faut pas dénigrer les détecteurs à poire qui répondent à beaucoup de cas de figure,pour un tiers du prix d'autres modèles », confirme David Cohen (Engineering Mesures).

Même si les détecteurs de niveau ne sont pas truffés d'électronique, les fabricants les ont fait évoluer ces dernières années, en particulier au niveau des interfaces de communication telles que le standard IO-Link.

IFM electronic

Pour Xavier Buire (Emerson Process Management France), « les détecteurs à flotteur étant plus sensibles au colmatage, ne disposant pas de diagnostic avancé et devant être deux pour une certification SIL 2, ils ne sont proposés que lorsque les détecteurs à lames vibrantes ne sont pas adaptés (très hautes températures, densité faible, différents niveaux de détection). Hormis ces applications, la technologie à lames vibrantes répond à la grande majorité des demandes du marché.» On peut encore signaler, comme autre atout des détecteurs à lames vibrantes, leur précision au lieu de piquage et, comme autre limitation, leur sensibilité à l'encrassement et au colmatage. « Nous recommandons d'installer les lames vibrantes selon une inclinaison de 20° pour obtenir un fonctionnement optimal, à savoir une meilleure précision sur le point de commutation et l'écoulement de produits visqueux le long des fourches », précise néanmoins Antoine Dujancourt (Krohne France).

Des innovations sont apparues ces dernières années

Pour s'affranchir de ces inconvénients, et tendre ainsi vers des détecteurs « universels», Baumer a introduit sur le marché en 2012 les détecteurs CleverLevel LBFS et LFFS. « Le principe de fonctionnement repose sur un balayage en fréquence, à savoir l'envoi d'un signal à une fréquence de 100 à 180 MHz dans le média. Comme chacun possède une fréquence de résonance différente,il est possible de détecter le média en question. En plus de la détection de liquides collants, de poudres,de pulvérulents,etc.,les CleverLevel peuvent détecter sur un niveau haut de lait mais pas sur celui de l'eau » , expliqueTitouan Fevre,tech-nico-commercial sédentaire Process Instrumentation chez Baumer France. Parmi les autres avantages avancés par le fabricant, on peut citer une intrusion limitée à 7mm (un plus dans les applications hygiéniques), une insensibilité aux produits très visqueux, un prix concurrentiel (120 à 190 euros pour le LBFS et 235 à 407 euros pour le LFFS), aucune contrainte concernant la position de montage.

Parmi les questions que le futur acquéreur d'un détecteur de niveau doit se poser, on trouve notamment celles sur les contraintes liées à l'installation : montage par le haut, par le bas ou le côté, encombrement autour de la cuve, présence d'une double enveloppe ou d'autres obstacles, etc.

Vega

Autre méthode qui se veut une alternative aux lames vibrantes, la spectroscopie d'impédance développée par ifm electronic. L'appareil analyse le comportement électrique des fluides à surveiller dans la gamme de fréquence entre 50 et 200MHz.Le champ électrique émanant de l'extrémité de la sonde est influencé par le niveau du fluide, les fluides, des dépôts ou de la mousse présentant des comportements différents. « Avec notre modèle LMT qui est d'ailleurs 100 % compatible avec les détecteurs à lames vibrantes mécaniquement parlant,nous nous rapprochons de l'universalité : selon le réglage, le détecteur de niveau est en standard orienté pour les liquides, les fluides visqueux ou les pulvérulents », explique Edil Alvarez (ifm electronic France).

Les autres principales améliorations apportées aux détecteurs de niveau concernent l'amélioration de la fiabilité de l'électronique (exigences des applications SIL ou Atex) et l'ajout de tests.

Les conditions de process imposent de repousser les limites

Endress+Hauser, lui, a fait le choix de combiner les technologies capacitive et conductive dans un même détecteur de niveau ( voir Mesures n° 858 ). « En plus d'être affleurant, le Liquipoint FTW33 joue sur les deux modes pour savoir s'il est en présence d'une détection ou d'un colmatage (dépôt de 2 mm de crème, par exemple). C'est aussi sur ces applications plus difficiles faisant intervenir du ketchup, de la mayonnaise ou des crèmes cosmétiques que se fait la différence sur le marché. Et les utilisateurs sont prêts à investir dans ces produits, même s'ils sont plus chers », insiste Benoît Blachez (Endress+Hauser France). Les fabricants ont par ailleurs porté leurs développements sur l'électronique, et en particulier la partie interface de communication, la prise en compte de conditions de process plus contraignantes, etc. « Nous avons par exemple conçu des produits plus compacts en termes de taille et basés sur une communication numérique au sein même de l'appareil.Cette facilité d'accès aux informations se retrouve également dans la présence de l'interface IO-Link chez certains concurrents », indique Thierry Levesque (Bürkert France).

L'allemand Vega a récemment développé la fonction Plicsled qui est en fait la possibilité d'adjoindre un voyant directement sur l'appareil (couvercle transparent et Led bicolore). L'utilisateur sait ainsi en un seul coup d'œil si le niveau est atteint ou non. « Les clients veulent en faire de moins en moins avec les appareils de terrain.Ils recherchent ainsi des modèles préconfigurés et pré-étalonnés, faciles à installer et nécessitant peu d'entretien », constate Thomas Kemme,responsable produits chez Magnetrol International. L'américain Emerson Process Management a, lui, ajouté de nouvelles fonctionnalités à ses détecteurs Rosemount 2100, telles que l'envoi de messages d'erreur (comparaison de l'état par rapport à l'absence/ présence de produit via la dérive de la fréquence de vibration). « Le marché est de plus en plus demandeur de sans-fil.Le Rosemount 2160,le seul modèle sans fil du marché, peut être installé n'importe où, en haut d'une cuve déportée ou dans un équipement mobile » , ajoute Xavier Buire (Emerson Process Management France).

Certains fabricants ont développé ces dernières années des technologies de détection de niveau plus « universelles », comme le principe à balayage en fréquence de Baumer, même si la méthode universelle ne peut exister compte tenu de l'immensité variété des applications.

Bauumer

Dans certaines applications, les utilisateurs peuvent se tourner vers une méthode de détection de niveau non intrusive. Les ultrasons en sont un très bon exemple, comme d'ailleurs les barrières micro-ondes ou la gammamétrie…

Sonotec

« Les seules vraies améliorations portent sur la partie électronique, confirme David Cohen (Engineering Mesures) , pour améliorer sa fiabilité (applications SIL 2,Atex Ex II 2 G et EEx d IIC) et pour ajouter le test des appareils en simulation ou la mesure de température dans les détecteurs FLT93 de l'américain FCI. Les clients nous consultent par ailleurs pour les moutons à cinq pattes, car ces modèles supportent des températures jusqu'à + 454 °C et des pressions de 200 bar.» Mais ce n'est pas le cas de la majorité des détecteurs commercialisés sur le marché, d'où les évolutions destinées aux conditions de process plus étendues comme chezVega avec le Vegaswing 66 (-196 à +450°C et jusqu'à 160 bar).Autre exemple d'évolution, « avoir une réelle capacité à travailler dans les environnements où la mousse est un vrai problème, comme dans les process laitiers,car la pasteurisation fait mousser le lait » , conclut David Ecobichon (Sick France).