uide d`achat uide d`achat Guide d`achat

G uide d’achat
MESURES PHYSIQUES
Les mesures
de niveau
celles qui comportent des pièces mobiles,
s’ajoute l’usure de ces éléments mécaniques.
Il y a les méthodes non intrusives sans
contact qui évidemment s’affranchissent de
tous les inconvénients des méthodes intrusives mais en possèdent d’autres : mise en
œuvre lourde pour le pesage, inadaptées aux
produits poussiéreux ou moussants pour les
MESURES 733 - MARS 2001
Vega
Krohne
E
Capteurs de pression, capteurs à
ultrasons et capteurs radars,
beaucoup de fournisseurs d’instrumentation de process misent sur ce
tiercé de technologies pour les
mesures de
niveau.
Siemens Process Instruments
t toujours
c e t t e
ribambelle de
technologies utilisées pour mesurer des
niveaux. Des jauges mécaniques que l’on
dit obsolètes mais qui représentent toujours
un parc important, aux systèmes de mesure électroniques avec ou sans contact, au
total une bonne dizaine de technologies se
partagent le travail (sans compter les systèmes
de détection, encore plus nombreux qui ne
sont pas traités ici).
Il y a les techniques qui mesurent une distance, d’autres un temps, d’autres encore
une pression ou une masse… Certaines
dépendent de la masse volumique du produit, d’autres sont sensibles à la température. Il y a les sondes intrusives qui plongent
dans la matière avec tous les risques de colmatage, de corrosion, de contraintes mécaniques du produit, de mauvaises cohabitations avec les dispositifs d’agitation… Pour
Endress +
Hauser
■ En 1997, nous vous avions déjà proposé un guide d’achat qui recensait les différentes technologies utilisées pour mesurer un niveau ainsi que la pléiade de fournisseurs présents sur le marché français. Quatre ans après, nous réactualisons ce
guide. Les technologies n’ont guère évolué, mais les tendances se confirment. Les
mesures mécaniques cèdent toujours du terrain aux mesures électroniques.
Les mesures par pression restent en tête. Les méthodes sans
contact, notamment par ultrasons, poursuivent leur croissance
et le radar devient de plus en plus compétitif. La technologie du radar
guidé qui était à l’époque à peine sortie des cartons d’un seul fournisseur est aujourd’hui au catalogue d’une petite dizaine.
87
G uide d’achat ➤ Les critères de sélection
d’idées trop bien rangés.
Ainsi, si la technologie
Que voulez-vous faire ?
à ultrasons était bien au
Détecter ?
Signaler ?
Mesurer ?
Réguler ?
départ limitée pour des
Sur quel produit ?
utilisations en dessous
de 100 °C, des fournisUn liquide
Un solide
seurs
proposent
Est-il :
Est-il :
aujourd’hui
des
● Visqueux ?
● Pulvérulent ?
modèles pouvant sup● Corrosif ?
● Granuleux ?
● Moussant
● En morceaux
porter 150, voire
175 °C. Si les sondes
Quelles sont les caractéristiques de votre processus ?
capacitives n’étaient pas
● La plage de niveau à mesurer
recommandées pour
● La géométrie de la cuve
● Les pressions
des produits trop col● Les températures
matants, le traitement
● Les possibilités de montage de la cuve
des signaux permet
● Le mode de remplissage
dorénavant de prendre
Quel prix ?
en compte une com● Coût de l’équipement
posante électrique
● Coût de l’installation
“résistive” et de s’affran● Coût de maintenance
chir des problèmes de
colmatage. Ce que l’on
appelle les sondes par admittance. Les systèmes
capteurs à ultrasons…
Pour y voir plus clair dans cet imbroglio tech- radars qu’on décrétait toujours trop chers ont su se
nologique, la tentation est grande de coller “démocratiser”. Il y a deux ou trois ans, les produits
des étiquettes. Par souci de simplification, on “entrée de gamme”, passaient sous la barre des
aimerait bien mettre chacune de ces tech- 10 kF. On en trouve aujourd’hui à 7 kF. Et alors
niques dans des cases. Les sondes capacitives? qu’on les croyait insensibles à tout - température,
“Oui” pour les produits moussants mais pression, poussières… - certains fournisseurs met“non” pour les produits colmatants. Les tent parfois une restriction lorsque l’application
sondes par ultrasons? “Oui” pour les produits mousse un peu trop. Prudence, donc.
colmatants mais “non” pour les hautes tem- Même si aucune des technologies que nous
avions déjà présentées dans notre numéro 692
pératures...
Le jeu est dangereux (même si nous nous y en février 1997 n’a disparu, il semble néansommes prêtés dans le tableau “Qui suppor- moins que l’offre pour certains principes,
te quoi ?”). Car avec tous les petits progrès comme les jauges manuelles ou les jauges
technologiques qui passent parfois inaperçus, mécaniques (flotteurs ou plongeurs) aient
les règles évoluent et dérangent nos tiroirs cédé du terrain. Ou, ces principes sont de
moins en moins mis en avant par les fournisseurs. «Les clients nous les achètent plus que
nous les vendons», souligne Gilbert Legues,
responsable de la communication chez Krohne.
Tout est dans la nuance.
Et les principaux fournisseurs d’instrumentation de process comme Krohne, Endress + Hauser,
Vega, Siemens Process Instruments (la nouvelle division de Siemens qui a repris il y a quelques mois
Milltronics) font tous le même pari. S’il faut
miser sur trois technologies, le tiercé gagnant,
dans l’ordre, reste identique : “Mesure par
pression, par ultrasons, et par radar”. Du
moins pour les liquides qui représentent, et
là aussi ils sont tous unanimes, entre 80 à 90%
des applications de la mesure de niveau.
La pression, la force de l’habitude
Les mesures par pression ont pour elles la force de l’usage et restent de loin les plus utilisées.
Selon Guy Deiber, ingénieur commercial chez
Vega, en s’appuyant sur l’étude réalisée chaque
année par le Syndicat de la Mesure, « les
mesures par pression représentent la part de
marché la plus importante, plus de 50 MF sur
les quelque 300 MF que constitue le marché de
la niveaumétrie». En sachant que c’est l’une
des technologies les moins chères.
«p = ρgh, tout le monde a appris ça à l’école,
explique Olivier Aubry responsable niveaumétrie chez Endress + Hauser. C’est vraiment le
principe le mieux connu et le mieux maîtrisé». Le capteur de pression relative ou diffé-
rentielle se place généralement en fond de
cuve. Une partie du capteur est forcément en
contact avec le produit, mais la membrane,
sur laquelle s’exerce la pression du liquide,
peut être simplement affleurante sans aucune protubérance à l’intérieur de la cuve. «Elle
➤ Qui supporte quoi ?
Techniques
de mesure
Systèmes à flotteur
Systèmes à plongeur
Palpeurs
Sondes capacitives
Mesures de pression bulle à bulle
Mesures de pression hydrostatique
Mesures à ultrasons
Mesures radars
Mesures radars guidés
Mesures par rayons γ
Systèmes optiques
Pesage
Pour liquides
(L) et/ou
Solides (S)
Hautes
pressions
(>10 bar)
Hautes
températures
(>100 °C)
Produits
corrosifs
Produits
colmatants
Produits
moussants
L
L
L/S
L/S
L
L
L/S
L/S
L/S
L/S
L/S
L/S
oui
oui
non
oui
±
oui
non
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
±
oui
oui
oui
±*
oui
oui
oui
±
oui
±
±
±
oui
oui
oui
oui
oui
±
oui
oui
oui
non
non
non
oui**
non
±
oui
oui
±
oui
oui
oui
oui
oui
±
oui
oui
oui
non
±
oui
oui
±
oui
Produits
poussiéreux
oui
oui
±
oui
oui
oui
±
oui
* certains modèles à ultrasons peuvent supporter des températures jusqu’à 150 °C ou plus
** sondes par admittance
88
MESURES 733 - MARS 2001
G uide d’achat ➤ Méthodes intrusives
Techniques de mesure
Avantages
Inconvénients
Contrôle visuel direct
(niveaux à glace, piges, jauges manuelles…)
Simplicité, indication locale, bon marché
Mesure discontinue non électronique, risque de salissures,
souvent inutilisable dans les conditions industrielles,
lecture à distance impossible
Systèmes à flotteur (à câble ou tambour,
asservis, magnétiques…)
Adapté à divers produits liquides, robustesse,
fiabilité, large gamme de prix, bonne précision
Sensibilité à la masse volumique du produit (risque
d’enfoncement du flotteur), précautions à prendre
en citerne sous pression, risque d’encrassement et
d’usure des pièces mécaniques
Systèmes à plongeur (tube de torsion, appareils
à équilibre de force)
Bonne précision, bonne fiabilité, supporte les
hautes températures (> 300 °C) et les hautes
pressions (> 300 bar)
Sensibilité à la masse volumique du produit, faible
étendue de mesure (quelques mètres), risque
d’encrassement et d’usure des pièces mécaniques,
prix pouvant devenir élevé
Palpeurs électromécaniques
Fonctionnement simple et sûr, grande étendue
de mesure (jusqu’à 70 m), bonne précision,
nombreuses formes de palpeur
Eviter de situer le palpeur dans le parcours de
remplissage, risque d’encrassement et d’usure des
pièces mécaniques
Sondes capacitives ou par admittance
Absence de pièces mobiles, robustesse, haute
résistance aux conditions industrielles, prix peu
élevé
Dépend des caractéristiques électriques de la sonde
et du produit, contraintes mécaniques du produit sur la
sonde, nécessite la vidange de la cuve pour l’étalonnage
du capteur
Mesures de pression, systèmes bulle à bulle
Simplicité, se prête bien aux fluides corrosifs,
capteurs déportés, ne nécessitent pas
d’alimentation électrique près de la cuve
(zone Ex)
Branchement d’air ou de gaz, risque
d’encrassement et d’usure des pièces mécaniques et
pneumatiques, nécessite la vidange de la cuve pour
l’étalonnage du capteur
Mesures de pression hydrostatique (capteurs
de pression relative ou différentielle, à membrane
affleurante, à extension ou immergente)
Simplicité d’installation, de réglage, bonne
précision, large étendue de mesure, bonne
adaptation aux conditions industrielles, large
gamme de prix selon les performances
Dépend de la masse volumique du produit, risque de dépôt
sur la membrane, installation parfois difficile en bas de cuve,
nécessite la vidange de la cuve pour l’étalonnage du capteur
Mesures radars à ondes guidées (TDR)
Bonne étendue de mesure, insensible à
l’environnement (poussières, température, pression…)
et aux caractéristiques du produit, mesure d’interface
La constante diélectrique du produit (ε) doit être suffisante
(généralement supérieur à 1,5), contraintes mécaniques
du produit sur la sonde
➤ Méthodes non intrusives
Techniques de mesure
Avantages
Inconvénients
Systèmes de pesage (à pesons)
Excellente précision, convient pour des
transactions commerciales ou pour des
dosages précis
Mise en œuvre lourde, difficile et onéreuse
notamment sur des installations existantes, mesure
d’une masse (non d’un niveau)
Mesures à ultrasons (réflexion d’une onde
ultrasonore)
Facile à installer, adapté à divers produits
liquides ou solides, prix peu élevé
Restrictions pour les produits poussiéreux,
moussants et peu réflecteurs, sensibilité aux
variations de température et de pression, inadaptée
aux très hautes températures, hautes pressions et au vide
Mesures radars (temps de retour de l’écho
ou par modulation de fréquence FCMW)
Facile à installer, bonne précision, insensible à
la température et à la pression, large gamme de
produits, supporte les hautes températures
(jusqu’à 400 °C)
La constante diélectrique du produit (ε) doit être
supérieure à 1,5 environ, (avec des précautions de
montage en dessous de 2)
Mesures par rayonnement gamma
Adaptée à toutes les applications industrielles
Prix élevé, contraintes administratives,
remplacement périodique de la source
Mesures optiques (absorption, diffusion ou
réflexion d’un faisceau lumineux de l’UV à l’IR,
système laser, caméra CCD)
Large gamme de systèmes disponibles à des
prix très divers pouvant offrir une excellente
précision
Etendue de mesure généralement courte, influence
des salissures et des poussières
MESURES 733 - MARS 2001
91
G uide d’achat ne gêne donc pas les systèmes d’agitation,
explique M. Legues, (Krohne). De plus, les membranes affleurantes sont compatibles avec les
normes sanitaires et sont donc très utilisées
notamment dans l’agroalimentaire». Selon les
matériaux, les capteurs peuvent supporter un
grand nombre de produits corrosifs, abrasifs,
à hautes températures…
Et puis, il y a l’argument du prix: on trouve
des capteurs de pression à 400 F. Même si
pour un transmetteur industriel traditionnel il
faut compter plutôt 2 kF. Par ailleurs, les trans-
metteurs de pression différentielle servent également pour des mesures de débit. «Souvent,
un industriel fait le choix de l’utiliser aussi
pour les mesures de niveau. Il n’a ainsi qu’une
seule référence de capteurs à gérer pour deux
paramètres à mesurer », indique M. Deiber
(Vega). Il fait un gain sur ses stocks et la maintenance.
Si un capteur de pression reste très économique à l’achat, les opérations d’installation et
de maintenance peuvent cependant avoir un
coût non négligeable Pour installer un cap-
teur en bas d’une cuve déjà installée, il faut la
vidanger. Il faut prévoir une maintenance des
tubes ou des câbles pour une mesure relative
ou différentielle entre la pression dans la cuve
et la pression au-dessus de la cuve. Enfin, pour
une mesure de bonne qualité métrologique,
un étalonnage en place nécessite de vider et
remplir la cuve. Il ne faut pas oublier non plus
que pour relier la pression à la hauteur de
liquide il faut connaître la masse volumique
du liquide. Et lorsque celle-ci varie, la mesure est inévitablement faussée.
Téléphone
Jaug
Fabricant (Distributeur)
es m
anu
elle
Palp
s
eurs
Flot
teur
s
Plon
geu
rs
Cap
acit
ive/
par
Pres
adm
sion
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bull
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Pres
u
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Ultr
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Rad
ar g
uidé
(TDR
Opt
)
ique
Ray
onn
eme
nt g
Pes
amm
age
a
Aut
res
➤ Offre des fournisseurs
ABB Automation
Aeco (Actel)
AEP (Actel)
Bamo
Berthold
Blet
BMI Airindex
Bourdon-Sedeme
Bullier
Bürkert
Campbell Scientific
Danfoss
Datam Flutec
Delmo Delsecco
Drexelbrook (Les Automatismes appliqués)
Druck
Endress + Hauser
Enraf
Engineering Mesures
Eurojauge
Fafnir (les Automatismes Appliqués)
FGP Instrumentation
Fisher-Rosemount
Format (Bullier)
Foxboro
Fuji Electric
Gems Sensors
Haenni Instruments
Honeywell
Huba Control
Hydrologic
Iris-Instrument (2G Métrologie)
Iteca-Socadei
92
01 64 47 20 00
03 26 05 05 63
03 26 05 05 63
01 30 25 83 20
01 46 49 83 33
01 40 35 44 16
02 47 27 39 85
02 54 73 74 75
01 46 95 09 09
03 88 58 91 11
01 69 29 96 77
01 30 62 50 58
01 69 19 76 00
03 20 52 31 40
04 42 12 57 51
01 41 32 34 64
03 89 69 67 68
01 49 36 20 80
01 42 35 33 33
03 88 30 31 38
04 42 12 57 51
01 30 79 65 40
03 89 37 65 30
01 46 95 09 09
01 34 43 25 36
04 73 98 26 98
01 48 19 99 79
01 60 06 89 89
01 60 19 80 00
03 87 84 73 00
04 76 03 74 74
04 76 70 94 44
04 42 02 60 00
●
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1
2
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3
MESURES 733 - MARS 2001
G uide d’achat Avec la pression, on peut faire aussi du bulle
à bulle. Dans ce cas-là, le capteur est déporté
jusqu’à plusieurs dizaines de mètres. Concrètement, un tube de bullage est immergé dans
le liquide. Celui-ci va avoir tendance à pénétrer dans ce tube. Mais il va en être repoussé
par le gaz ou l’air injecté de l’autre extrémité
du tube. La pression nécessaire pour obtenir
des bulles est égale à la pression hydrostatique
qui est mesurée par le capteur. Ne nécessitant
pas d’alimentation électrique aux abords de
la cuve, cette technique reste très utilisée dans
l’industrie chimique en zone dangereuse.
Même si on retrouve les inconvénients d’une
méthode intrusive, le “bulle à bulle” conserve ses avantages. Elle est plus facile à installer
qu’un capteur de pression en pied de cuve.
Avec un matériau adapté pour le tube immergé, elle peut convenir à des environnements
difficiles avec des ciels gazeux ou des vapeurs
d’acides, ce que n’apprécie pas justement la
technique sans contact à ultrasons. L’ultrason
se propage toujours
L’ultrason a su pourtant s’imposer dans beau-
coup d’applications. Sans contact, fiable (une
simple mesure de temps) et pas chère (comptez
2 kF pour un capteur à ultrasons bas de gamme). Cette technique arrive très certainement
en seconde position du marché, avec une part de
marché supérieure à 50 MF en France.
Le principe est lui aussi bien connu et bien maîtrisé. Il consiste à émettre une onde ultrasonore. Celle-ci, lorsqu’elle rencontre une surface
de séparation entre deux milieux, est en partie
réfléchie. La mesure du temps de retour de cet
écho indique la distance, et donc le niveau.
Téléphone
Jaug
Fabricant (Distributeur)
es m
anu
elle
Palp
s
eurs
Flot
teur
s
Plon
geu
rs
Cap
acit
ive/
par
Pres
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rost
Ultr
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Rad
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Rad
ar g
uidé
(TDR
Opt
)
ique
Ray
onn
eme
nt g
Pes
amm
age
a
Aut
res
➤ Offre des fournisseurs
Jumo Regulation
Keller
Klay Instruments (Mesa)
Kobold
Krohne
K-Tek (Les Automatismes Appliqués)
Kubler
Larco
Limab (Bullier)
L & J (Larco)
Magnetrol
Masoneilan
Mettler Toledo
Mobrey
Moore Siemens (Control)
Nivus
Ose (Bullier)
Pepperl + Fuchs
Protais
Pulsar (I & C)
Rittmeyer
Saab (Les Automatismes appliqués)
Sanor
Sart von Rohr
Siemens Process Instruments
Sigma (Martec)
Tecfluid
Vaf Instruments (I & C)
Vega Technique
Wenglor Sensoric
Wika
Yokogawa
03 87 37 53 00
03 89 36 33 12
01 55 48 09 15
01 34 21 91 15
04 75 05 44 00
04 42 12 57 51
03 89 75 41 73
01 39 47 12 22
01 46 95 09 09
01 39 47 12 22
01 60 93 99 50
01 49 04 90 00
01 30 97 17 17
01 34 30 28 30
01 60 03 18 64
03 88 07 16 87
01 46 95 09 09
01 60 92 13 13
02 54 85 02 67
01 64 93 92 30
00 41 41 767 10 00
04 42 12 57 51
03 20 24 39 40
03 89 37 79 50
04 42 65 43 11
01 46 23 79 09
01 34 64 38 00
01 64 93 92 30
03 88 59 01 50
03 80 24 24 44
01 34 30 84 84
01 39 26 10 30
●
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4
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1- principe thermique - 2- principe électrostatique - 3- Mesure d’alimentation des broyeurs et mesure de la vitesse de rotation - 4- répéteur pneumatique - 5- résonnance
MESURES 733 - MARS 2001
93
G uide d’achat Sonde capacitive ou par admittance?
■ La méthode capacitive consiste à mesurer la
variation de capacité d’un condensateur. Les
deux plaques de celui-ci sont généralement formées par la sonde de mesure et la paroi de la citerne. La
capacité est fonction de la
constante diélectrique du
milieu et donc de la présence ou non du produit entre
la sonde et la paroi. La mesure de cette capacité permet
donc de déduire le niveau.
C’est ce que font les sondes
capacitives classiques. Un
doute peut cependant survenir lorsqu’un colmatage se
produit sur la sonde ou sur les parois. Si, par la
suite, le niveau baisse et le colmatage subsiste,
la sonde “voit” une capacité due à ce colmatage.
Si l’ultrason a un domaine de prédilection,
c’est certainement celui de l’eau. L’eau est un
bon réflecteur d’onde et, l’environnement est,
dans la plupart des applications, plutôt facile.
Car il faut bien reconnaître que les ondes ultrasonores n’aiment pas que les choses se compliquent. Alors qu’elles se propagent dans l’air
à faible vitesse (331 m/s à 0 °C), elles peuvent
être ralenties ou même arrêtées par la présence de molécules gazeuses, de vapeur d’eau,
de poussières, de mousses par une variation de
la température. Une augmentation de 1 °C de
la température de l’air ralentit de 0,6 m/s la
propagation des ultrasons. «Pour des mesures
en canal ouvert, une différence de 12 °C entre
le matin et l’après-midi d’une journée d’hiver
ensoleillée peut entraîner jusqu’à 15 %
d’erreur », souligne M. Legues (Krohne). Les
capteurs à ultrasons sont généralement dotés
d’une compensation en température. Mais celle-ci se fait sur la température du transducteur et non sur celle rencontrée par les ultrasons au cours de leur propagation dans l’air.
La mesure n’est donc pas toujours précise.
«Mais les industriels n’ont pas toujours besoin
d’une mesure au millimètre près, souligne
M. Aubry (Endress + Hauser). Ils veulent simplement des capteurs fiables».
Les inconvénients de cette mesure de temps
de propagation d’une onde disparaissent dès
lors que les ultrasons sont remplacés par des
ondes électromagnétiques. Les capteurs radars
utilisent des radiofréquences (à quelques
GHz) qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Pas grand-chose ne les arrête. Elles ne sont
ralenties ni par les poussières, ni les ciels
94
Pour s’affranchir de cet inconvénient, l’électronique du transmetteur peut tenir compte de la
composante résistive du produit. La sonde est la
même, seul le traitement
électronique du signal
change. On parle alors de
sonde par admittance. Celle-ci va faire la différence
entre la présence d’un produit à un certain niveau et
un phénomène de colmatage. Dans le premier cas,
elle va pouvoir mesurer
une résistance entre la sonde et la paroi (due à la
continuité du produit).
Dans le second cas, le circuit “sonde + produit
+ paroi” est coupé, le courant ne circule plus. Le
colmatage est découvert.
gazeux, ni l’humidité. Elles ne sont influencées
ni par la température, ni par la pression. On
comprend que toutes les études préconisent la
plus forte croissance pour les mesures par
radars (voir encadré).
Le radar étend sa palette
En réalité, dans la famille des “radars sans
contact”, il existe deux principes. L’un, appelé “mode pulsé” repose sur la mesure du
temps de retour de l’onde (comme les capteurs à ultrasons). Le second, appelé FMCW
(Frequency Modulated Continuous Wave ou ondes
continues à modulation de fréquence), mesure une différence de fréquences entre l’onde
aller et l’onde retour qui est proportionnelle
à la distance. «Pour mesurer une distance de
1 mètre, un capteur à onde pulsée mesure
6,7 nanosecondes, explique Serge Jay, responsable produit en niveau chez Krohne. Un FMCW
mesure une différence de fréquences de
300 Hz ». Quelle que soit la technologie, le
choix de la fréquence de travail (généralement
entre 5 et 25 GHz selon les constructeurs ou
les modèles) est un compromis. Une plus
faible fréquence est moins sensible au colmatage, au phénomène de condensation ou à la
présence de mousse. Une plus haute fréquence permet de réduire les angles d’émission. On limite ainsi les réflexions parasites.
Aussi universelle qu’on veuille bien le dire, la
mesure par radar présente quand même
quelques restrictions. «On peut rencontrer des
difficultés de mesure sur des produits très
moussants », reconnaît M. Deiber (Vega). Et
même si les caractéristiques du produit
n’influent ni sur la vitesse ni sur la fréquence
de l’onde retour, une trop faible constante
diélectrique atténue l’amplitude du signal qui
devient difficilement exploitable. Dans une
certaine limite, cet inconvénient peut être
minimisé par la forme de l’antenne. Une
antenne en forme de cône de réception permet de recueillir un plus large écho. En
revanche, pour les produits à forte constante
diélectrique qui réfléchissent bien les ondes,
une antenne tige suffit. Par ailleurs, pour les
cuves et les silos étroits, les ondes peuvent
rebondir sur les parois. Et puis, pour des raisons d’encombrement, il n’est pas toujours
possible d’installer un radar avec une grosse
antenne conique. Là encore, des évolutions
sont apportées par les fournisseurs. Ainsi, en
utilisant des fréquences un peu plus hautes
(aux alentours de 25 GHz), ils peuvent réduire le diamètre de l’antenne (on trouve
aujourd’hui des antennes coniques de 40 mm
de diamètre sur un piquage de 1,5 pouce).
Depuis quelques années, tous les fournisseurs
se sont appliqués à rendre la technologie radar
“à la portée de chacun”. Il y en a aussi bien
pour les petits que pour les gros budgets. On
trouve aujourd’hui sur les étagères des capteurs à 7 kF. Certains ont été développés en 2
fils, qui ne nécessitent pas d’alimentation électrique supplémentaire (notamment pour les
applications en zone dangereuse). Mais des
versions plus “sophistiquées” ont été aussi
développées pour répondre à des applications
difficiles: capteur “hautes températures” (jusqu’à plus de 400 °C), capteur avec antenne
émaillée pour résister aux vapeurs corrosives...
Et puis il y a le “millimétrique”, le radar haut
de gamme. Plutôt aux alentours des 30 kF, il
assure une incertitude au millimètre près. Proposé il y a quelques années par un nombre
très restreint de fournisseurs et pour des applications dans la marine ou le militaire, il
s’étend doucement dans le monde industriel.
Un signe: deux acteurs importants de l’instrumentation de process viennent de l’ajouter
à leur catalogue. Endress + Hauser a développé
l’année dernière son propre radar millimétrique. Fisher-Rosemount vient tout juste de racheter Saab Marine Electronics, un des plus importants fournisseurs dans ce domaine. Pour
M. Jay (Krohne), les applications restent encore “exotiques”: «On retrouve le radar millimétrique essentiellement dans le stockage de
produits pétroliers. Il est le seul concurrent
aux systèmes mécaniques par flotteurs ou palpeurs asservis eux aussi capables de faire de
la grande précision». M. Aubry (Endress + Hau-
ser) mise sur tous les produits à haute valeur
ajoutée: «les cuves de stockage en raffinerie
bien sûr mais aussi les produits pharmaceutiques ou les essences de parfum».
MESURES 733 - MARS 2001
G uide d’achat Enfin, toujours dans la famille des radars, un
tout jeune cousin, le TDR, se fait une petite
place dans la mesure de niveau. Fin 1996,
Krohne proposait le premier capteur utilisant le
principe Time Domain Reflectometry (déjà largement éprouvé dans la localisation de défauts
sur des lignes de transmission électrique). Des
impulsions électromagnétiques hautes fréquences se propagent le long d’un fil (ou
deux) qui est immergé dans la matière à
mesurer. Lorsqu’une impulsion rencontre la
surface du produit, elle est renvoyée, et le
temps de retour détermine le niveau. Avec la
méthode TDR, sorte de radar filoguidé, on
retrouve les inconvénients d’une méthode
intrusive, et on conserve les limitations du
radar sans contact pour les produits à faible
constante diélectrique. Mais, à part ça, il
marche partout. En concentrant les impulsions électromagnétiques sur un câble, il
s’affranchit des échos parasites (qui parfois
perturbent les radars sans contact).
Le TDR, un positionnement marketing
Dès son introduction, le BM 100 de Krohne
fonctionnait aussi bien sur des solides que sur
des liquides (avec mesure d’interface). Plus
tard, Magnetrol a proposé son modèle Eclipse
uniquement sur les liquides. Les modèles de
Vega ou Endress + Hauser ne sont destinés qu’aux
poudres et pulvérulents. «Il s’agit avant tout
d’un positionnement marketing, soutient
M. Deiber (Vega). Dans les solides, peu de technologies sont disponibles ». Cette méthode
qu’on avait dit universelle s’implante cependant timidement. Elle peut trouver sa place
lorsqu’un capteur à ultrasons ne convient pas
(problème de température, poussières,
mousses…) et lorsqu’un radar sans contact est
trop encombrant ou trop cher. Il est peu probable, à l’avenir que le prix du radar puisse
s’aligner sur la technologie à ultrasons. Le capteur TDR, que l’on peut trouver aujourd’hui à
partir de 5 kF, pourrait alors faire la liaison.
Marie-Pierre Vivarat-Perrin
GUIDE DES PRODUITS
■ Impossible de recenser tous les équipements destinés
à des mesures de niveau présents sur le marché. Même
parmi les nouveaux produits que nous ont présentés les
fournisseurs, nous sommes obligés de faire une sélection. Elle est forcément subjective et incomplète. Il
nous a paru néanmoins que les produits présentés cidessous offraient tous au moins une petite originalité.
Radar sans contact:
un FMCW à deux fils
■ Dans la famille des modèles
radar sans contact FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) qui
mesurent une différence de fréquences proportionnelle à la distance, Krohne présente le Radar
BM 702, le premier radar FMCW
à deux fils. Il fait la même chose
que son homologue 4 fils,
mais un peu moins
souvent afin de
consommer
le
moins d’énergie possible. Au lieu d’une
mesure quasi continue, il n’en fait qu’une
par seconde. La plage de
mesure s’étend jusqu’à
20 mètres avec une incertitude de ± 0,2 % de la distance
mesurée. Par une fonction
“suivi du fond de réservoir”,
il peut également mesurer de
faibles niveaux de réservoir.
L’instrument fonctionne sur la
bande de fréquence de 8,5 à
9,9 GHz. Il est donc insensible
aux variations de température et de
pression. Il autorise des mesures
MESURES 733 - MARS 2001
sur des liquides de faible constante diélectrique, tels que les solvants
organiques, le benzène, le toluène
et les hydrocarbures. Il
convient
donc, entre
autres, aux applications dans les
industries chimiques et
pétrochimiques.
Avec les agréments
de sécurité intrinsèque EEx ia, il
peut être utilisé
dans les zones à
atmosphère explosive (Zone 0, 1,
2; IIC/IIB: T1 à T6).
En complément, un logiciel
d’analyse (PC-CAT), compatible
avec tous les produits de la série
BM 70 de Krohne permet la
configuration de l’équipement,
l’enregistrement et la visualisation des signaux mesurés.
Krohne
Tél.: 04 75 05 44 00 - Fax: 04 75 05 44 48
Le palpeur asservi mesure aussi
la densité ou l’interface
■ Le jaugeur asservi
MCG 1500 proposé
par L&J mesure le
déplacement du palpeur à l’aide d’une
jauge de contrainte.
Celle-ci
mesure
l’effort appliqué à
l’axe d’un moteur pas
à pas (cet effort est
différent selon que le
palpeur est dans l’air
ou dans le liquide).
Le microprocesseur
calcule la vitesse et le
sens dans lequel le
moteur doit tourner
jusqu’à la détection du niveau.
Une transmission magnétique par
bobines du signal entre la partie
mobile et la partie fixe de la jauge
évite les transmissions par frotteur.
Toutes les 5 ou 10 minutes, le palpeur est relevé au-dessus du produit et pesé. La surcharge occasionnée par le produit résiduel sur
le palpeur est alors compensée. De
tout cela, il résulte une incertitude meilleure que ± 0,8 mm sur
une étendue de mesure de 0 à
25 m (0 à 40 m en option). Pour
le jaugeage des fonds de réservoirs, le poids du palpeur sur les
sédiments ou sur l’eau est mesuré. Le palpeur est alors relevé ou
abaissé jusqu’à trouver l’interface.
Connaissant le volume du palpeur,
la densité du liquide peut être
cycliquement mesurée à proximité de la surface du liquide. Sur
option également, il est possible
d’obtenir un profil de la densité
du produit sur toute la hauteur
contenue dans le bac.
La jauge se caractérise aussi par
sa taille (hauteur 285 mm) et sa
masse (11,4 kg).
Le jaugeur a obtenu l’agrément
Drire pour les transactions commerciales. Il est particulièrement
adapté à la mesure de niveau sur
les réservoirs de stockage
d’hydrocarbures liquides, ainsi
que sur les réservoirs de stockage de GPL ou tout autre produit.
Larco
Tél.: 01 39 47 12 22 - Fax: 01 39 47 32 00
95
G uide d’achat Un marché assez stable
Un double capteur de pression
pour les applications critiques
■ Les industriels mesurent de plus en plus leurs niveaux. Que ce soit
pour des objectifs de qualité (en augmentant les contrôles sur leur processus), ou pour se plier à de nouvelles contraintes réglementaires
notamment dans le domaine de la sécurité ou de l’environnement
(contrôle anti-débordement, détection de fuite…). Il y a aussi bien sûr
tout le marché de remplacement. A l’heure du changement, les utilisateurs abandonnent souvent les anciennes technologies mécaniques au
profit des technologies électroniques plus fiables, sans pièces mobiles
et donc plus résistantes. “Durer le plus longtemps” est l’un des points
importants du cahier des charges, pour un capteur de niveau.
Si les points de mesure ont plutôt tendance à se multiplier, le prix des
appareils a, quant à lui, plutôt tendance à baisser. Dans la balance, le
marché global reste donc assez stable. En France, une estimation, à
partir de données établies par le Syndicat de la Mesure, le situerait
aux alentours de 300 MF dont 80 % pour les liquides. Le marché américain de la niveaumétrie a été évalué en 2000 à 396 M$. Cette étude
réalisée par Venture Development Corporation (VDC) prévoit une croissance annuelle de 2,9 % jusqu’en 2005. Même si ces prévisions
concernent uniquement les Etats-Unis, on peut supposer que le marché européen suivra les mêmes tendances.
Selon cette étude, les mesures en continu représentent donc 68 % de
ce marché et sa croissance s’élèverait à 3,3 % contre 0,7 % pour les
mesures ponctuelles (discontinues). Les équipements électroniques
comptent pour 74 % du marché (croissance annuelle de 3 %) contre
26 % pour les systèmes mécaniques (décroissance de 0,1 %).
Parmi les cinq technologies les plus utilisées et qui représentent près
de deux tiers du marché, le flotteur est la seule technologie mécanique. Elle arrive en 3ème position après les mesures par pression, les
mesures par ultrasons et avant les mesures capacitives et par pesage.
Le marché des mesures par ultrasons constitue 15,1 % de parts de
marché avec une croissance de 4,5 % par an. Mais la plus forte augmentation est prévue pour la technologie Radar : 9 % par an alors
qu’elle représente aujourd’hui 7 % de parts du marché américain soit
28 M$. Dans les cuves ou les silos de stockage, le radar, avec son aptitude à supporter les environnements difficiles et corrosifs, est appelé
à devenir la principale technologie utilisée et devrait connaître une
croissance annuelle de 11,9 % en chiffres d’affaires et 13,7 % en unités
vendues.
www.vdc-corp.com
L’indicateur magnétique
à flotteur tient à 350 °C
■ Sart von Rohr propose un indicateur magnétique de niveau à flotteur pour des applications difficiles. Le MBSK tient aux fortes
températures jusqu’à 350 °C et à
des pressions jusqu’à 204 bar.
L’épreuve hydraulique a été testée
en pression à 370 bar. Le corps est
en acier inox avec une fermeture
inférieure par un système de type
“autoclave” (en remplacement
d’une bride de fond généralement
utilisée). Le contact inverseur bis-
96
table à ampoule Reed est intégré
dans un boîtier antidéflagrant
Eex d II C T6. Le flotteur est lui
aussi en acier Inox. Il a été gonflé
à l’azote sous 70 bar. Le système
supporte la présence de condensats et accepte des milieux de masse volumique 0,6 kg/l. L’indicateur est utilisé par exemple en
raffinerie pour la fabrication de
propylène.
Sart von Rohr
Tél.: 03 89 37 79 50 - Fax: 03 89 37 79 51
■ Le transmetteur
de pression XTC
de Moore (Siemens) peut être
installé sur des
applications critiques, là où généralement deux
transmetteurs classiques sont requis
(ou deux transmetteurs XTC à la
place de trois transmetteurs). Pour
cela, il a obtenu les certifications
ad hoc de l’organisme allemand
le Tüv (classe AK6, équivalent
SIL3).
Le capteur de pression comprend
en fait deux capteurs à technologie capacitive en silicium. Deux
circuits électroniques séparés
comparent en permanence les
deux mesures. Les deux microprocesseurs reposent sur des technologies différentes afin d’éviter
les modes communs. Ils sont chargés de calculer et vérifier la gam-
me de pression.
De plus, le transmetteur commute automatiquement sur sa
source d’alimentation secondaire
interne lorsque
son circuit de diagnostic détecte
une ou plusieurs
défaillances. Les
processeurs intègrent d’autres
fonctions d’auto-contrôle. Ainsi,
des capteurs de détection vérifient
l’état des cellules de pression.
Par ailleurs, le transmetteur XTC
a obtenu les agréments Cenelec
pour une utilisation en zone dangereuse. Il peut se faire en Inox
(316SS), Hastelloy, Monel, Tantale… La membrane à bride peut
être déportée. Le transmetteur est
doté d’une sortie 4-20 mA avec le
protocole Hart.
Control
Tél.: 01 60 03 18 64 - Fax: 01 60 03 18 85
Une solution pour le contrôle des eaux
■ Ce n’est plus une
simple mesure de
niveau mais un système
complet destiné à la gestion et au contrôle des
équipements et de distribution d’eau ou de
collecte des eaux usées.
Le système EnviroRanger ERS 500 de Siemens
Process Instruments (anciennement Milltronics) met
en œuvre la technologie
ultrasonique sans contact pour
les mesures (plage de mesure
jusqu’à 15 mètres) ainsi que
d’autres fonctions spécifiques
pour répondre aux applications
de gestion de pompage. L’EnviroRanger ERS 500 comprend 8
entrées TOR et 5 relais (pour la
gestion de pompes, de vannes
ou d’alarmes), 1 entrée analogique pour la mesure de niveau.
Des moyens de télémétrie et
d’interface intégrés (Modbus
RTU/ASCII) permettent une
connexion avec des systèmes
automatisés via des réseaux téléphoniques commutés, des liaisons spécialisés ou radiofréquences. A noter encore des
fonctions de gestion et de
contrôle de débits dans les déversoirs d’orage ou la totalisation
des données de process (volume
pompé, temps de marche…).
Siemens Process Instruments
Tél.: 04 42 65 69 00 - Fax: 04 42 58 63 95
MESURES 733 - MARS 2001
G uide d’achat Transmetteurs de niveau numériques
■ Keller présente un transmetteur
de niveau programmable avec une
sortie analogique (4-20 mA) et
numérique (liaison RS 485). Le
transmetteur peut ainsi être configuré à partir d’un PC ou d’un portable. Le capteur piézorésistif est
un chip en silicium micro usiné.
Une compensation en température est assurée par entre à et 40 °C.
Deux versions de transmetteur
sont proposées. Le PAA-36 W travaille en pression absolue. Il peut
être utilisé lorsque la pression
atmosphérique est enregistrée par
un capteur séparé. La pression
atmosphérique est alors soustraite de la pression absolue au
niveau de la centrale. Le PR-36W
travaille quant à lui en pression
relative. La pression atmosphérique de référence est appliquée
à l’arrière du capteur de pression
via un tube capillaire intégré dans
le câble de raccordement électrique du transmetteur. La pression exercée par la colonne de
liquide au-dessus du transmetteur
est alors directement mesurée par
ce dernier.
Keller
Tél.: 03 89 36 33 12 - Fax: 03 89 36 33 13
Sonde par admittance avec
compensation du diélectrique
■ Les mesures par admittance,
tout comme les mesures capacitives, dépendent, entre autre, de la
constante diélectrique du produit
à mesurer. La version TrueLevel
de Drexelbrook (distribué par Les
Automatismes Appliqués) intègre
une compensation en continu des
variations de ce paramètre. Elle
est tout particulièrement destinée
aux milieux dont la composition
est susceptible de changer :
mélanges
d’hydrocarbures,
mélange de monomères et polymères, peintures, huiles… La
gamme de Drexelbrook comprend pas moins de plusieurs
centaines de modèles de sonde
qui se distinguent par le matériau,
la taille, le mode de fixation…
Elle inclut des sondes de mesure
en continu ou des contrôleurs
tout ou rien. Les transmetteurs
des mesures en continu sont dotés
de protocoles Hart ou propriétaire (Honeywell) et peuvent être
certifiés EEx ia.
Les Automatismes appliqués
Tél.: 04 42 12 57 57 - Fax: 04 42 12 57 58
Une mesure par principe
électrostatique
■ FGP Instrumentation commercialise le transmetteur SMP01 qui utilise un principe de mesure électrostatique. Ce principe breveté
autorise des mesures de niveau sur
les liquides ou sur les pulvérulents.
Un champ électrique pulsé est
appliqué dans le milieu. La quantité de charges électriques
recueillies par la sonde immergée
est proportionnelle au niveau. Ces
transmetteurs sont disponibles
MESURES 733 - MARS 2001
pour des étendues de mesure de
0-100 mm à 0-1 500 mm avec
une résolution entre 0,1 mm et
1 mètre. Ils délivrent un signal normalisé 4-20 mA en câblage 2 fils et
sont alimentés en 7 ou 36 V. Les
matériaux en contact avec le
milieu sont au choix en polyéthylène, polypropylène, PVDF ou
encore ETFE.
FGP instrumentation
Tél.: 01 30 79 65 40 - Fax: 01 30 54 01 43
La pâte abrasive passe de
l’admittance à la pression
■ Dans des cuves de près de
1 mètre de haut et 50 cm de
diamètre, Ugimag brasse des
pâtes minérales très abrasives.
Cette filiale du groupe Carbone
Lorraine, à Saint-Pierre d’Allevard (38), est spécialisée dans la
production d’aimants permanents. Ses produits rentrent
dans la fabrication des moteurs
électriques, notamment pour le
secteur de l’automobile. Il y a
environ cinq ans, ses pâtes
avaient eu raison des capteurs
de pression de Vega piqués en
fond de cuve. Les membranes de l’époque ne pouvaient résister à
l’abrasion « Ils ne tenaient même pas un an », reconnaît Guy Deiber,
ingénieur commercial chez Vega. La société avait alors installé des
sondes par admittance. Le même fournisseur venait juste de développer ce principe, une version évoluée des sondes capacitives (voir encadré). L’électronique dissocie du signal électrique de mesure une composante résistive (liée au colmatage) et une composante capacitive
(liée au niveau). Tout marchait bien. Seul inconvénient. La pâte devant
être brassée par un agitateur à trois rangs d’ailettes, la mesure ne pouvait se faire que sur 30 % de la hauteur. Il y a un peu moins d’un an,
retour donc à la pression avec cette fois-ci des membranes en céramique qui peuvent désormais
résister à l’abrasion de la pâte. Installés en bas de cuve, ils mesurent
le niveau de la cuve sur toute sa
hauteur. M. Deiber préconise une
durée de vie d’au moins cinq ans.
L’évolution des technologies oblige
parfois à des choix qui ne sont pas
forcément linéaires et définitifs.
L’ultrason jusqu’à 175 °C
■ Iteca-Socadei propose une gamme d’équipements ultrasoniques
qui, en utilisant le spectre des fréquences basses, est capable de travailler dans les milieux solides en
vrac où la température peut
atteindre 175 °C ou alors dans les
milieux liquides moussants. Il est
également possible de s’affranchir
des nuages de poussières.
Dans le cas de trémies, silos ou
cuves de 20 mètres au plus,
l’équipement est alimenté en
courant standard. L’appareil dispose d’une sortie ainsi que 2 ou
4 relais programmables. Dans le
cas de silos ou de cuves de plus
grande hauteur, le matériel est
équipé d’un logiciel sophistiqué
qui analyse en permanence
l’écho retour. Il tient compte de
l’atmosphère de poussières et
des vapeurs à l’intérieur du silo
ou de la cuve. Il intègre aussi les
variations de température. Une
application type est réalisée en
milieu cimentier sur des silos de
30 mètres avec alimentation
pneumatique de produits très
fins.
Iteca-Socadei
Tél.: 04 42 02 60 00 - Fax: 04 42 02 75 95
97
G uide d’achat Le radar, plus d’un an
pour choisir
■ A Beaufort (39), Sorrège est une socié-
té de régénération de solvants sales.
Dans 12 cuves de 8,5 mètres de haut et
2 mètres de diamètre, elle stocke des
solvants sales. « Avant, on ne faisait pas
de mesures, sauf de temps en temps avec
un mètre », explique Jean-Marie Gotti,
responsable de la cellule technique. Le choix du radar sans contact ne
s’est pas fait sans mal. Les conditions ne sont pas simples : des cuves
de forme cylindro-conique, des mélanges de solvants sales à composition variable et avec risque de colmatage. Aujourd’hui, M. Gotti est
plutôt satisfait mais émet quelques restrictions : « Nous avons parfois
des solvants avec une faible constante diélectrique., De plus, dans les
cuves de solvants sales, la composition du mélange varie. Lorsqu’il y a
trop de toluène ou de xylène, le radar “décroche”. Il a fallu plus d’un an de
test pour s’orienter sur la technologie proposée par Krohne ». Reste à
équiper 16 autres cuves de solvants propres. La société pourrait cette
fois envisager la technologie à radar guidé (TDR). « Nous y avions déjà
pensé pour les solvants sales ; mais on risquait alors les colmatages et
pour une des cuves qui comporte un système d’agitation elle n’était pas
du tout possible », commente M. Gotti. En complément d’une mesure
de niveau, chaque cuve est dotée d’un détecteur anti-débordement.
Un radar avec une antenne en émail
■ Avec une antenne en émail, le
capteur de niveau radar Vegapuls
54 de Vega résiste à la corrosion des
produits chimiques agressifs. Il peut
supporter des températures jusqu’à
250 °C et des pressions jusqu’à
40 bar. Dans la même série du
même fournisseur, le Vegapuls 56
résiste à 100 bar et 400 °C, grâce à
l’utilisation de matériaux en céramique et une étanchéité en graphite. La série 50 de Vega offre un
98
large angle d’ouverture des ondes
et s’adapte ainsi à des applications
difficiles (insensibilité aux échos
multiples, à la présence de poussières, ou aux colmatages…). La
série 40, quant à elle, est plus sensible à ses perturbations mais, avec
une plus grande focalisation des
signaux, est conseillée pour des
cuves étroites de grande hauteur.
Vega
Tél.: 03 88 59 01 50 - Fax: 03 88 59 01 51
Un radar pulsé millimétrique
■ Endress + Hauser a
développé le premier
capteur radar à émission pulsée pouvant
atteindre une précision de mesure millimétrique (les autres
radars millimétriques
du marché utilisent
la
technologie
FMCW). Le Micropilot S est essentiellement destiné à
des applications de stockage de
produits pétroliers ou autres produits à forte valeur ajoutée. Il supporte des températures jusqu’à
200 °C et des pressions jusqu’à
400 bar. Le transmetteur est doté
d’une sortie numérique (bus de
terrain Profibus PA, Fieldbus
Foundation, Hart…).
De l’autre côté de la
gamme, Endress + Hauser présente également
un radar en technologie 2 fils qui peut être
installé sur une cuve
de stockage (incertitude ± 3 mm) ou sur
une cuve de process
(incertitude
± 10 mm). Ces deux modèles
sont dotés d’un afficheur
(4 lignes) avec la possibilité d’une
configuration en face avant par
menu déroulant. Un logiciel de
configuration permet aussi une
mise en service à distance sur PC.
Endress + Hauser
Tél.: 03 89 69 67 68 - Fax: 03 89 69 55 46
Transmetteur bulle à bulle
■ Les transmetteurs de
niveau Alphée
d ’ Hydrolo g ic
mesurent la
pression
hydrostatique
selon le principe du bulle à bulle. En déportant
la mesure jusqu’à une trentaine de
mètres, le système évite les risques
liés aux produits corrosifs, aux
vapeurs, aux poussières ou à
l’humidité. Il est aussi pratique
lorsqu’il y a des problèmes
d’encombrement (pour installer
un capteur sur site) ou d’alimentation électrique. Il s’adresse aux
applications “difficiles” (traitement de surface) ou plus “faciles”,
notamment dans le domaine de
l’eau. Disponibles pour des étendues de mesure de 1, 3 ou
10 mètres avec une incertitude de
± 0,25 % à 20 °C, les appareils
Alphée, qui sont donc déportés,
se présentent sous forme d’un
boîtier IP40 encliquetable sur rail
Din, ils sont connectables à toutes
les centrales d’acquisition.
Hydrologic
Tél.: 04 76 03 74 74 - Fax: 04 76 42 40 70
MESURES 733 - MARS 2001