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Aperçu de la technologie - Capteurs de niveau
Les technologies de détection de niveau
Spectroscopie d’impédance
Les dépôts et la mousse rendent souvent difficile la détection fiable des niveaux. La technologie de spectroscopie d’impédance mesure l’intensité du champ électrique et magnétique dans une bande de fréquence comprise entre 50 et 200 MHz. Le type du fluide ainsi que des dépôts ou la mousse ont des caractéristiques électriques différentes qui sont utilisées pour l’évaluation. Trois mesures sont prises à chaque point :
- Affaiblissement (amortissement) du champ électromagnétique
- Conductivité du champ électrique (capacité d’un matériau à conduire le courant électrique)
- Permittivité du champ magnétique (capacité à polariser les particules)
Si le fluide est présent, ces mesures correspondent au profil. Si aucun fluide ou seulement un résidu est présent, les mesures ne correspondent pas au profil. Si le profil mesuré se trouve dans la zone de détection verte, la sortie du capteur change d’état.
Aucun fluide présent : La figure ci-dessus montre une situation dans laquelle aucun fluide ne recouvre le bout de la sonde. L’amortissement, la conductivité et la permittivité sont faibles. Le profil de signature est en dehors de la zone de détection.
Fluide présent : La figure ci-dessus montre le profil avec le fluide présent au bout de la sonde. L’amortissement, la conductivité et la permittivité sont élevées et le profil mesuré est dans la zone de détection. La sortie change d’état.
Résidus présents : Si seuls des dépôts recouvrent le bout de la sonde, la conductivité et la permittivité sont élevées car des traces du fluide sont présentes. Cependant, l’amortissement est faible car il n’y a qu’une petite quantité de fluide. Le profil est en dehors de la zone de détection et la sortie ne change pas d’état.
D’autres fluides ont des profils différents. Grâce à IO-Link, les valeurs process du fluide peuvent être évaluées et utilisées pour différencier les matériaux, par exemple l’huile vs l’eau, le lait entier vs le lait à 2 % etc.
Particularités :
- Suppression des dépôts et de la mousse
- Le concept d’étanchéité sans zone de rétention du bout de la sonde en PEEK répond aux exigences de la norme 3A
- Robustesse grâce au boîtier en inox
Toutes les versions sont programmables ; des préréglages d’usine sont disponibles pour les fluides aqueux, les fluides à base d’huile, les fluides pulvérulents et les fluides à forte teneur en sucre.
Radar à ondes guidées (GWR)
Le principe du radar à ondes guidées (Guided Wave Radar) utilise des impulsions électromagnétiques de l’ordre de la nanoseconde. Les impulsions sont émises par l’électronique du capteur et sont guidées le long de la tige métallique. Lorsque l’impulsion micro-ondes frappe le fluide, elle est réfléchie, détectée par la tige du capteur et renvoyée à la tête du capteur. La durée du temps entre l’émission et la réception de l’impulsion (Time of Flight) est une mesure directe de la distance parcourue.
Une plaque de transmission métallique d’au moins 150 mm² ou 150 mm de diamètre doit être utilisée pour permettre un couplage suffisant de l’impulsion radar. Si la cuve a un couvercle métallique, celui-ci peut servir de plaque de transmission.
L’image ci-dessus montre une cuve avec un couvercle en métal. Aucune plaque de transmission n’est nécessaire, le couvercle remplissant cette fonction.
Une plaque de transmission métallique est nécessaire pour les cuves avec des couvercles en plastique. L’illustration montre une bride d’un diamètre minimum de 150 mm.
Une plaque de transmission est également requise pour les cuves ouvertes. Une façon simple de mettre cela en œuvre est de fixer la bride à un support métallique.
La surface des fluides à base d’huile reflète moins bien l’impulsion radar que l’eau. Pour amplifier et recevoir le signal, l’utilisation d’un tube coaxial est nécessaire.
En cas d’utilisation d’un tube coaxial, la plaque de transmission décrite ci-dessus n’est pas nécessaire. Ceci facilite le montage. Cependant, la formation d’un pont entre la tige de la sonde et le tube coaxial, causée par des solides, des émulsions, etc. peut entraîner une indication du niveau incorrecte. Le tube coaxial peut également être utilisé dans les fluides aqueux et peut être raccourci en fonction de la longueur de la sonde.
Particularités :
- Certains modèles sont certifiés selon 3A pour une utilisation dans des applications de nettoyage Clean-out-of-place (COP)
- Certains modèles offrent une tenue en pression jusqu’à 40 bar
- Construction en acier inox
- Résistant à la poussière, au brouillard et à la vapeur
Pression hydrostatique
La pression hydrostatique décrit la force exercée par une colonne de liquide sur une surface. Elle ne dépend que de la hauteur de la cuve, elle ne dépend donc pas de la forme ou du volume de la cuve. La pression hydrostatique peut être calculée à l’aide de l’équation suivante :
Si la densité et l’accélération due à la gravité du liquide est connue, la hauteur (ou le niveau) du liquide peut être déterminée par la mesure de la pression hydrostatique.
Une application courante de la pression hydrostatique est la mesure du niveau dans une cuve fermée. Une couverture de gaz inerte peut être utilisée pour empêcher l'oxydation du liquide, par exemple du CO2 dans une cuve de bière. Dans ce cas, la pression différentielle peut être calculée à l’aide de deux capteurs de pression. Le capteur supérieur mesure la pression du gaz et le capteur inférieur mesure la pression du gaz plus la pression causée par le liquide. La pression du liquide (et donc le niveau du liquide) est la différence entre les deux mesures.
Détection capacitive du niveau limite (références Kxxxxx)
Les détecteurs capacitifs détectent toutes sortes de matières, avec contact direct avec le fluide ou sans contact. L’utilisateur peut régler la sensibilité des détecteurs de proximité capacitifs d’ifm de manière que les fluides liquides ou solides soient détectés à travers les parois non métalliques des cuves.
Pour une détection de niveau réussie en utilisant des détecteurs capacitifs assurez-vous :
- que la paroi de la cuve ne soit pas métallique
- que l’épaisseur de la paroi de la cuve soit inférieure à 6 mm à 12 mm
- qu’il n’y a pas de métal à proximité immédiate du détecteur
- que la face active du détecteur soit directement sur la paroi de la cuve
- que le détecteur et la paroi de la cuve soient mis à la terre sur le même potentiel
Mesure de niveau capacitive continue (références Lxxxxx)
Les capteurs de niveau continu des séries LK et LT d’ifm se composent de 16 éléments de mesure capacitifs empilés les uns au-dessus des autres.
Chaque élément de mesure évalue son environnement pour déterminer s’il est couvert par le fluide. Le microprocesseur évalue les 16 éléments de mesure pour déterminer le niveau.
Les séries LK et LT disposent d’une protection anti-débordement intégrée. L’algorithme de la protection anti-débordement fonctionne indépendamment de la mesure du niveau général. Si les sorties ne commutent pas comme souhaité et le niveau continue à augmenter, la protection anti-débordement force les sorties à commuter.
La série LT dispose également d’une sortie séparée pour la température du fluide.
Détecteurs à ultrasons
Les détecteurs à ultrasons détectent les ondes sonores réfléchies par la surface pour mesurer le niveau. La surface du fluide renvoie les ondes sonores, l’information de distance est déterminée par une mesure du temps de vol.
Contrairement aux détecteurs optoélectroniques, la couleur, la transparence ou la réflectivité du fluide ne joue aucun rôle pour la détection.
Les détecteurs à ultrasons sont insensibles à l’humidité et aux poussières. La surface active vibre à une fréquence très élevée, ce qui réduit l’accumulation d’humidité et de poussière avant qu’elle ne puisse nuire à la performance. Cependant, les températures extrêmes peuvent affecter la précision car la vitesse du son dépend de la température.
Détecteurs optoélectroniques
Le détecteur de distance laser O1D et le capteur de vision O3D utilisent la technologie du temps de vol PMD pour mesurer la distance à la surface du fluide. La méthode du temps de vol mesure le temps de déplacement de la lumière vers la surface et son retour vers le détecteur. Ce signal est ensuite traité par un élément de réception.
Cette technologie ne peut pas être utilisée pour la mesure de niveau de liquides transparents. Elle ne peut être utilisée que pour les liquides et les solides non transparents.
Capteurs radar
Les capteurs radar détectent sans contact le niveau d’un fluide. Les capteurs à 80 GHz fonctionnent selon la méthode Frequency Modulated Continuous Wave (FMCV). Ils envoient sur la surface du fluide des impulsions électromagnétiques à une fréquence variant constamment entre 77 et 81 GHz. Comme les fréquences fluctuent, une différence de fréquence apparaît entre le signal émis et le signal réfléchi. En fonction de cette différence entre les signaux reçus et émis à un moment donné, le capteur peut calculer la distance jusqu’à la surface du fluide. Cette technologie permet une mesure de niveau fiable et extrêmement précise, avec une réaction rapide.
Quel avantage offre la technologie 80 GHz ?
La taille de l’antenne et la fréquence sont les deux facteurs principaux qui sont déterminants pour l’angle d’ouverture et donc pour la portée et la précision d’un capteur radar. En principe :
- Plus petite est l’antenne, plus grand est l’angle d’ouverture à fréquence égale.
- Plus la fréquence est élevée, plus l’angle d’ouverture est petit à taille d’antenne égale.
Comme le montre l’illustration : la technologie haute fréquence 80GHz permet un angle d’ouverture relativement petit tout en utilisant une petite antenne.
Signal plus puissant, moins d’interférences
Dans la pratique, la forte focalisation du signal résultant de l’angle d’ouverture plus petit permet de détecter des fluides ayant une faible constante diélectrique, car la forte focalisation améliore la réflexion vers le capteur. En outre, cette focalisation élevée évite que des obstacles tels qu’agitateurs ou boules de pulvérisation ne soient détectés et ne causent des perturbations du signal.
Détection de niveau précise à haute résolution sur toute la hauteur de la cuve
Dans des applications telles que la détection de niveau industrielle, une mesure au millimètre près est de la plus haute importance. La précision d’une mesure et le niveau de résolution de la distance (c’est-à-dire avec quelle précision sont détectés les changements de niveau) dépendent de la largeur de bande des fréquences émises. Un capteur radar 80 GHz fonctionnant sur une plage de fréquences de 77 à 81 GHz peut ainsi présenter une précision 20 fois supérieure à celle d’un capteur radar 24 GHz. En outre, la haute résolution permet de séparer le niveau de liquide des réflexions indésirables au fond de la cuve. Le capteur peut ainsi de mesurer avec précision le niveau de liquide sur toute la hauteur de la cuve, la zone morte au fond de la cuve étant minimisée. Comme la haute résolution améliore fortement la distance minimale mesurable, le capteur détecte aussi avec précision le niveau d’une cuve entièrement remplie.