Radar ou micro-ondes

Les méthodes de mesure de niveau par radar sont souvent comparées à celles de micro-ondes. Elles utilisent toutes deux des ondes électromagnétiques, plus particulièrement dans le micro-onde à étendue X-band (10 GHz). Cette technologie a été adaptée et affinée pour des mesures de niveau. Le plupart des applications concernent une mesure de niveau en continu.

Au départ, tous les types travaillent sur base du principe de micro-ondes rayonnant vers le bas depuis une sonde située au dessus du réservoir ou de l’écoulement d’eau. Le senseur reçoit en retour une partie de l’énergie reflétée par la surface du fluide. Le temps nécessaire au signal pour accomplir la distance (appelé « time of flight », temps de vol ou plus correctement temps de transit) est utilisé pour déterminer le niveau. Pour des mesures de niveau en continu, il y a deux systèmes principaux non-intrusifs, ainsi qu’un type intrusif utilisant un cable ou corde comme guide d’onde et se prolonge pratiquement jusqu’au fond du réservoir.

Un des types non-intrusif utilise une technologie appelée onde continue à fréquence-modulée (frequency-modulated continuous wave – FMCW). Depuis le module électronique au-dessus du réservoir, un senseur oscillateur transmet verticalement un balayage de fréquence linéaire, à une largeur de bande et un temps de balayage fixes. Le signal radar reflété est différé proportionnellement à la distance avec la surface. Sa fréquence est différente de celle du signal émis, et les deux signaux se confondent en une nouvelle fréquence proportionnelle à la distance. Cette nouvelle fréquence est convertie en une mesure très précise du niveau du fluide.

Le senseur émet un signal en fréquence modulée variant de 0 à ~200 Hz avec une étendue de distances de 0 à 60 m (200 ft). L’avantage de cette technique c’est que les signaux de mesure de niveau sont FM plutôt qu’AM, accordant les mêmes avantages que des ondes radio. Le niveau sonore de la plupart des réservoirs se situe dans la bande AM et n’influe pas sur le signal FM.

La seconde technologie non-intrusive, radar pulsé ou temps de transit pulsé, opère sur un principe très similaire à celui de la méthode ultrasonique pulsée. L’impulsion du radar est pointée sur la surface du liquide et le temps de transit de l’impulsion en retour sert au calcul du niveau. Vu que l’impulsion du radar est un courant plus faible que FMCW, ses performances peuvent être affectées par des obstacles dans le réservoir ou par des mousses ou des éléments légèrement diélectriques (K < 2).

Les antennes pour les méthodes non-intrusives se présentent sous deux formes : coupole parabolique et cône. La parabole tend à diffuser le signal sur une surface plus large, tandis que le cône confine le signal en un sillon vertical concentré. Le choix de l’un ou l’autre, et sa taille (diamètre), dépend de facteurs tels qu’obstacles dans le réservoir ou la conduite qui pourraient refléter, la présence de mousse, et la turbulence du liquide à mesurer.

Le radar à onde guidée (GWR) est une méthode intrusive utilisant un câble ou une corde pour guider l’onde qui passe du senseur dans la matière et qui est mesurée tout au long du chemin jusqu’au fond du réservoir. Le guide-ondes permet d’obtenir un sillon si efficace pour le trajet de l’impulsion que la dégradation du signal est minimisée. Donc, des matières diélectriquement très faible (K <1.7 vs. K = 80 pour l’eau) peuvent effectivement être mesurée. De plus, puisque le signal pulsé est canalisé par le guide, les turbulences, la mousse ou des obstacles n’affectent pas la mesure. Cette méthode GWR peut traiter des gravités spécifiques variables et des médias composés ou en couches. C’est une méthode intrusive, et la sonde ou le guide peuvent être endommagés par une ailette d’agitateur ou la causticité de la matière à mesurer. Le GWR ne convient pas pour des applications en canal ouvert.

De plus en plus d’utilisateurs se tournent vers des méthodes réflectives sans contact pour les mesures de niveau, tant pour les processus de fabrication et de stockage et de gestion d’inventaires que pour des mesures de débit et de niveau en canal ouvert.

Des transmetteurs travaillant par radar sont en fonction depuis de nombreuses années pour des mesures de niveau soit pour des taxations ou des mesures plus spécialisées.

Le développement de la technologie du radar pulsé a donné naissance à des sondes qui conviennent avantageusement pour un grand nombre d’applications industrielles et de traitement, surmontant la plupart des problèmes qui excluent l’utilisation de sondes ultrasoniques.

Avantages de la technique de mesure de niveau par radar :

Désavantages de la technique de mesure de niveau par radar :

· assez coûteux

· nécessite une surface réflective avec une constante diélectrique appropriée

· sensible au positionnement

Théorie

Tout ceci est basé sur diverses théories développées durant les siècles derniers par des scientifiques tells que Jean Daniel Colladon, Lord Rayleigh, Pierre Curie et d’autres. Vous trouverez ci-dessous une courte biographie de ces trois célèbres hommes de sciences.

Jean-Daniel Colladon 1802-1893

Jean-Daniel Colladon était Docteur en Droit et ingénieur, il provenait d’une famille réfugiée à Genève en 1550 pour avoir adhéré à la Réforme.

Grâce à sa « Dissertation sur la compression des liquides et la vitesse du son dans l’eau », il reçut de la Prix de l’Académie des Sciences de Paris alors qu’il avait vingt-cinq ans. De 1829 à 1839 il occupa la Chaire de Mécanique à l’Ecole Centrale des Arts et Manufactures de Paris. Il fut rappelé à Genève où une Chaire de Mécanique avait été créée pour lui à l’Académie.

En 1843 il mit au point l’éclairage de ville au gaz. Il inventa aussi le photomètre et le dynamomètre et eut l’idée d’utiliser l’air comprimé pour le creusement de tunnels.

Il publia de nombreux ouvrages scientifiques en tant que membre correspondant de l’Institut de France.

Gravure montrant Colladon pendant son expérience sur la vitesse du son dans l’eau sur le Lac de Genève.

Lord Rayleigh

Les premières recherches de Lord Rayleigh étaient principalement mathématiques, et concernaient des systèmes optiques et de vibrations, mais ensuite ses ouvrages concernèrent quasi tous les domaines de la physique, depuis le son, la théorie de l’onde, la vison de la couleur, l’électrodynamique, l’électromagnétisme, la dispersion de la lumière, le débit des liquides, l’hydrodynamique, la densité des gaz, la viscosité, la capillarité, l’élasticité et la photographie. Ses expériences patientes et délicates conduisirent à l’établissement de standards en résistance, en courant et en force électromotrice ; et ses travaux ultérieurs furent concentrés sur les problèmes électriques et magnétiques. Lord Rayleigh était un excellent pédagogue et sous sa supervision active un système d’instruction pratique en expérimentation physique fut dispensé à Cambridge, développé pour une classe de cinq à six étudiants et étendu à une école de septante physiciens expérimentaux. Sa Theory of Sound (Théorie du Son) fut publiée en deux volumes pendant les années 1877-1878. Le Volume 1 couvre les systèmes de vibrations harmoniques avec un degré de liberté, les systèmes de vibrations en général, les vibrations transversales de cordes, les vibrations longitudinales et torsionnelles de barres, les vibrations de membranes et plaques, d’écailles courbes et plates et les vibrations électriques. Le Volume 2 couvre les vibrations aériennes, les vibrations en tubes, la réflexion et la réfraction d’ondes planes, les équations générales, la théorie de résonance, les fonctions et acoustiques de Laplace, feuillets d’air sphériques, la vibration de corps solides, et des faits et théories auditives. Ses autres études approfondies sont reprises dans son Journal Scientifique – six volumes édités entre 1889 et1920. Il a également contribué à l’Encyclopaedia Britannica.

Pierre Curie 1859 - 1906

Pierre Curie est né à Paris le 15 mai 1859. Eduqué par son père, docteur, Curie a développé à 14 ans une passion pour les mathématiques et fit preuve d’aptitudes particulières pour la géométrie spatiale, ce qui l’aida plus tard dans ses travaux de cristallographie. Inscrit à l’âge de 16 ans, il obtint sa licence en sciences à 18 ans, il fut engagé en 1878 comme assistant de laboratoire à la Sorbonne. Il accéda au Diplôme en Physiques en 1878 et poursuivit comme démonstrateur au laboratoire de physique jusqu’en 1882. En 1895 il fut nommé Docteur es Sciences et engagé comme Professeur de Physique. Il accéda au titre de Professeur à la Faculté des Sciences en 1900.

Ses premières études concernèrent la cristallographie. Le problème de distribution de matière cristalline suivant les lois de la symétrie devint une de ses préoccupations majeures. Ensemble avec son frère aîné Jacques, ils observèrent que l’on obtient un potentiel électrique en exerçant une pression mécanique sur un cristal de quartz tel que le sel de Rochelle (sodium potassium tartrate tetrahydrate, KNaC₄H₄O₆ 4H₂O). Alors que les Curie avaient prédit qu’un voltage différent pouvait être produit depuis une tension appliquée sur des matières piézoélectriques, ils n’avaient pas prédit le comportement réciproque de ces matières. Le comportement réciproque est juste une tension mécanique à une différence de voltage. Cette propriété de réciprocité fut produite mathématiquement depuis des principes thermodynamiques, par un physicien Nobel, Gabriel Lippman en 1881. Peu après, les frères Curie vérifièrent la réciprocité. Ils nommèrent le phénomène piézoélectricité. Plus tard Pierre fut capable de formuler le principe de symétrie, qui stipule l’impossibilité de réaliser une réaction physique dans un environnement dénué d’un certain minimum de caractéristiques dissymétriques de la réaction. De plus, cette dissymétrie ne peut se trouver dans les résultats si elle ne préexiste pas dans les causes. Il poursuivit en définissant la symétrie de divers phénomènes physiques.

Plus tard, il reporta toute son attention sur le magnétisme. Il entreprit d’écrire une thèse de doctorat dans le but de découvrir l’existence de transition entre les trois types de magnétisme : ferromagnétisme, paramagnétisme et diamagnétisme. Afin de mesurer les coefficients magnétiques, il construisit une balance de torsion pesant au 0.01 mg, qui dans une version simplifiée est utilisée et appelée la balance de Curie et Chèneveau. Il découvrit que les coefficients magnétiques d’attraction de corps paramagnétiques varient inversément proportionnellement à la température absolue – c’est la Loi de Curie. Il établit ensuite une analogie entre les corps paramagnétiques et les gaz parfaits et par suite de ceci, entre les corps ferromagnétiques et les fluides condensés.

Les études de Curie à propos des substances radioactives furent menées ensemble avec sa femme, qu’il épousa en 1895. Elles furent achevées au prix de beaucoup de privations avec peu de moyens adéquats au laboratoire et sous la pression de devoir beaucoup enseigner pour assurer leur moyen de subsistance. Ils annoncèrent la découverte du plutonium et du radium par fractionnement de la pechblende en 1898 et ensuite ils s’attelèrent à élucider les propriétés du radium et de ses dérivés. Leurs travaux dans ce domaine furent à la base de la recherche ultérieure en physique nucléaire et en chimie. Ensemble il reçurent la moitié du Prix Nobel de Physique en 1903 suite à leur étude de la radiation spontanée découverte par Becquerel, qui reçut l’autre moitié du même Prix.

En 1903, Pierre Curie reçut également la Médaille Davy de la Société Royale de Londres (Royal Society of London), en 1904 il fut nommé professeur de physique à l’Université de Paris, et en France encore en 1905 il fut élu à l’Académie des Sciences. De telles nominations n’étaient pas attribuées habituellement aux femmes et Marie n’eut pas la même reconnaissance. Pierre décéda le 19 avril 1906 renversé par une voiture tirée par un cheval. Sa femme reprit ses classes et poursuivit ses propres recherches. En 1911, elle reçut un second Prix Nobel sans précédent, cette fois en chimie, pour ses travaux sur le radium et ses composés. Elle prit la direction de l’Institut du Radium à Paris en 1914 et aida à fonder l’Institut Curie. La maladie qui emporta Marie Curie fut diagnostiquée comme anémie pernicieuse. Elle mourut en Haute Savoie le 4 juillet 1934 à l’âge de 66 ans.

Le travail de Pierre Curie se retrouve dans de nombreuses publications dans les Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, le Journal de Physique et les Annales de Physique et Chimie.

Pierre et Marie Curie