Surveiller le niveau des matériaux dans les réservoirs pour améliorer la gestion de la chaîne d'approvisionnement

La détection et la mesure des quantités de matériaux solides, fluides ou granulés stockés dans des réservoirs sont de plus en plus importantes en raison des défis liés à la chaîne d'approvisionnement et de la nécessité de contrôler étroitement les niveaux de stocks et les processus de fabrication. En fonction de l'application, les détecteurs de niveau peuvent être tenus de respecter des normes alimentaires, de résister à des pressions, des températures ou des vibrations élevées, de supporter une utilisation en environnements corrosifs avec une haute résistance aux acides et aux bases, et de présenter un degré élevé d'isolation électrique et thermique pour garantir un fonctionnement sûr.

S'il est possible de concevoir des détecteurs de niveau, il s'agit d'une tâche complexe et risquée. Le processus commence par l'adéquation entre la technologie de mesure, telle que la détection capacitive, magnétique, ultrasonore ou optique, et l'application. L'étape suivante consiste à sélectionner le boîtier, les composants et les autres matériaux convenant à l'environnement d'exploitation. Il est également souvent nécessaire d'obtenir des homologations de sécurité et réglementaires et de s'assurer que la conception atteint l'indice de protection (IP) requis.

Alternativement, les concepteurs peuvent se tourner vers des solutions de détection de niveau pré-développées qui garantissent des mesures précises et fiables et accélèrent la mise sur le marché. Cet article commence par un aperçu du fonctionnement des technologies de détection capacitive, magnétique, ultrasonore et optique, y compris les dispositifs de forme A (normalement ouverts) et de forme B (normalement fermés). Il examine ensuite l'adéquation des matériaux et la classification IP, et identifie les applications les mieux adaptées à chaque technologie. Il présente enfin des exemples de détecteurs de niveau utilisant les technologies de détection magnétique, capacitive, ultrasonore et optique de PIC, Carlo Gavazzi et TE Connectivity.

Les détecteurs de niveau de liquide magnétiques, également appelés capteurs à flotteur, utilisent un commutateur à lames dans une tige scellée avec un flotteur contenant un aimant annulaire. Lorsque le niveau de liquide monte et descend, le flotteur avec l'aimant fait de même. Lorsque l'anneau monte (ou descend) à un certain niveau, il active le commutateur à lames (Figure 1). Ces conceptions sont très fiables et répertoriées pour des millions d'actionnements de commutation dans des configurations de forme A et de forme B. Elles sont disponibles avec différents matériaux de boîtier tels que le polypropylène, le polyamide et l'acier inoxydable, adaptés à différents liquides, et certains étant sans danger pour les aliments. Les modèles sont disponibles pour un montage supérieur, inférieur ou latéral.

Figure 1 : Lorsque le flotteur dans un détecteur de niveau de liquide magnétique monte (à gauche) ou descend (à droite), il active un commutateur à lames qui émet un signal. (Source de l'image : PIC)

Détection capacitive pour les liquides et plus

Outre la détection des niveaux de liquide dans les réservoirs, les détecteurs de niveau capacitifs peuvent être utilisés avec des solides ou des granulés. La sonde forme un condensateur avec la paroi du réservoir. La capacité varie en fonction de la quantité de matériau contenu dans le réservoir. En règle générale, plus il y a de matériau dans le réservoir, plus la capacité est élevée. Ces détecteurs sont disponibles avec différents matériaux de boîtier. Les détecteurs de niveau capacitifs peuvent inclure des distances de détection ajustables et ils sont conçus avec ou sans temporisation intégrée pour la mise en marche ou l'arrêt. Ils peuvent être utilisés avec une large variété de liquides et de solides, et ils sont souvent présents dans les processus industriels et les applications agricoles telles que les systèmes automatisés d'alimentation du bétail et les silos (Figure 2).

Figure 2 : Les applications agricoles, telles que la mesure des aliments granulés pour le bétail, utilisent souvent des détecteurs de niveau capacitifs. (Source de l'image : Carlo Gavazzi)

Ultrasons pour les hautes pressions et les liquides aérés

Les détecteurs de niveau à ultrasons fonctionnent généralement dans la gamme des 40 kilohertz (kHz), bien au-delà de la portée de l'oreille humaine. Ils utilisent des rafales d'énergie ultrasonore envoyées à travers un espace. En présence d'un liquide, la transmission de l'énergie ultrasonore est améliorée ; en présence d'air uniquement, l'énergie est atténuée. Ces détecteurs permettent la détection ponctuelle de différents liquides et sont particulièrement adaptés aux liquides aérés qui peuvent être difficiles à contrôler avec d'autres technologies. Les conceptions typiques de ces détecteurs scellés sont répertoriées pour un fonctionnement dans des liquides sous pression jusqu'à 250 livres par pouce carré (PSI), mais des modèles spéciaux peuvent fonctionner jusqu'à 5000 PSI (Figure 3).

Figure 3 : Les détecteurs de niveau à ultrasons peuvent être scellés et fonctionner sous hautes pressions. (Source de l'image : TE Connectivity)

Détection de niveau avec des détecteurs optiques

Les détecteurs de niveau optiques fonctionnent sur la base des différents indices de réfraction entre l'air et le liquide contrôlé. Ils se composent d'un émetteur infrarouge (IR) (transmetteur), d'un récepteur, d'un amplificateur et d'un commutateur de sortie. L'émetteur est généralement une diode infrarouge à arséniure de gallium (GaAs). La sortie peut être un transistor pour les sorties en courant continu (CC) ou un thyristor pour les sorties en courant alternatif (CA). La pointe conique du détecteur forme un prisme avec les impulsions IR transmises vers la pointe et, en l'absence de liquide, réfléchies en interne vers le récepteur. Lorsque la pointe du détecteur est immergée, le liquide a un indice de réfraction différent de celui de l'air et le faisceau n'est pas transmis au récepteur (Figure 4). Les détecteurs de niveau optiques sont assez polyvalents et peuvent être utilisés dans l'huile, les eaux usées et l'alcool, ainsi que dans des solutions alimentaires telles que la bière, le vin et le café infusé.

Figure 4 : Les détecteurs de niveau optiques utilisent les différents indices de réfraction de l'air (à gauche) et du liquide pour interrompre la transmission du signal vers le récepteur (à droite). (Source de l'image : Carlo Gavazzi)

Importance du boîtier

Le matériau de boîtier est un élément clé qui détermine où les différents détecteurs de niveau peuvent être utilisés. Les matériaux de boîtier les plus courants incluent les suivants :

Les polyesters présentent une excellente résistance à de nombreux produits chimiques et une grande résistance à la fissuration. Ils peuvent être utilisés de -70°C à +150°C.

L'acier inoxydable est compatible avec divers produits chimiques et alimentaires. Il présente une excellente nettoyabilité biologique et il est souvent utilisé dans l'industrie pharmaceutique et alimentaire ainsi que dans les applications médicales et industrielles.

Le polyamide 12, également appelé nylon 12, présente une haute transparence, une bonne robustesse, même à basse température, une stabilité dimensionnelle et une résistance dynamique, et il est léger en raison de sa faible densité. Il peut être utilisé jusqu'à 80°C.

Les polysulfones sont très résistants, transparents et polyvalents. Ils présentent une haute stabilité dimensionnelle ; la variation de taille est inférieure à 0,1 % lorsqu'ils sont exposés à de l'eau bouillante ou à de la vapeur ou de l'air à 150°C. Ils sont très résistants aux électrolytes, aux alcalis et aux acides d'un pH de 2 à 13. La résistance aux agents oxydants implique qu'ils peuvent être nettoyés à l'aide de javellisants.

Le polypropylène est résistant à de nombreux solvants organiques, acides et alcalis, mais il est sensible aux attaques des acides oxydants, des hydrocarbures chlorés et des aromatiques. Sa température de fonctionnement maximum est de 80°C. Il est hautement imperméable à l'eau, ce qui le rend bien adapté aux applications d'immersion.

Indices IP

Les codes de classification IP sont définis dans la norme CEI 60529 et inclus dans la norme ANSI 60529 aux États-Unis et dans la norme EN 60529 en Europe. Ils se composent de deux chiffres, le premier indiquant la résistance à la pénétration d'objets solides sur une échelle de 0 à 6 et le deuxième indiquant la protection contre les liquides sur une échelle de 0 à 9K. Les indices IP inférieurs ne sont pas particulièrement pertinents pour les applications où l'on trouve des détecteurs de niveau. Les niveaux supérieurs de pénétration d'objets solides sont les suivants :

5 – Indique la protection contre la poussière. La pénétration de la poussière n'est pas entièrement évitée. Mais l'équipement doit continuer à fonctionner, même à un niveau de performances inférieur, en présence de poussière.

6 – Indique l'étanchéité à la poussière. La pénétration de la poussière est éliminée.

La deuxième valeur pour la pénétration des liquides est plus complexe. Les catégories les plus performantes incluent :

7 – L'immersion, jusqu'à 1 mètre pour une pression et une durée définies, n'entraînera pas de pénétration d'eau en quantité dommageable.

8 – Immersion continue jusqu'à 1 mètre ou plus de profondeur dans les conditions spécifiées par le fabricant.

9K – Protection contre les pulvérisations à haute pression et haute température à courte distance.

Détecteurs de niveau magnétiques approuvés par la FDA

Pour les applications nécessitant l'approbation de la FDA (Food and Drug Administration) américaine, les concepteurs peuvent se tourner vers les détecteurs de niveau magnétiques en boîtier polypropylène de PIC. Le PLS-020A-3PPI est un détecteur compact pour les mesures verticales, tandis que le PLS-092A-3PPH est conçu pour les mesures horizontales (Figure 5). Ces détecteurs de niveau présentent un indice de protection IP67 et des contacts forme A répertoriés pour un maximum de 10 watts (W), 0,7 ampère (A), 180 volts (V) de courant continu (V_CC) et 130 V de courant alternatif (V_CA). Leur plage de températures de fonctionnement s'étend de -20°C à +80°C.

Figure 5 : Le PLS-092A-3PPH est un détecteur de niveau magnétique horizontal approuvé par la FDA. (Source de l'image : PIC)

Détecteurs capacitifs

Les détecteurs capacitifs de Carlo Gavazzi en boîtier polyester thermoplastique sont disponibles avec des distances de détection ajustables et avec temporisation intégrée (VC11RTM2410M) ou sans temporisation intégrée (VC12RNM24). Pour les détecteurs avec temporisation, celle-ci peut aller jusqu'à 10 minutes pour les actions forme A ou forme B. Ces détecteurs ont une distance de détection ajustable de 4 mm à 12 mm et ils peuvent être utilisés pour contrôler une variété de matériaux solides, liquides et granulés. La sortie de relais unipolaire bidirectionnel (SPDT) peut commander directement des charges telles que des solénoïdes et des actionneurs. Ces détecteurs fonctionnent avec des tensions d'alimentation de 20,4 à 255 V_CA ou V_CC et sont répertoriés pour des températures de -20°C à +70°C.

Détecteur de niveau à haute répétabilité

Le détecteur de niveau à ultrasons LL01-1AA01 de TE Connectivity se caractérise par une répétabilité de 2 mm ou supérieure, en utilisant des techniques de filtre numérique pour améliorer les performances. Il est doté d'une sortie de relais unipolaire unidirectionnel (SPST) forme A ou B. Logé en boîtier en acier inoxydable, ce détecteur est répertorié pour une entrée de 5,5 V_CC à 30 V_CC et peut supporter des tensions de charge de crête de 100 V_CA ou V_CC avec un courant continu de 3,5 A jusqu'à +25°C, avec un détarage linéaire de 0,75 A à +100°C. Il peut supporter des pressions jusqu'à 250 PSI. Les options incluent une température de fonctionnement maximum de 80°C ou 100°C, un montage NPT ¼ pouce ou NPT ½ pouce, et des longueurs de câble de 0,3 m, 1,2 m, 3 m et 6 m.

Détecteurs optiques dans un choix de matériaux de boîtier

Les détecteurs de niveau optiques VP01/02, comme le VP01EP de Carlo Gavazzi, sont fournis en boîtier polysulfone résistant à la plupart des acides et des bases. Les détecteurs VP03/04 de l'entreprise, comme le VP03EP, sont disponibles en boîtier polyamide 12 résistant à divers solvants. Ces détecteurs répertoriés IP67 peuvent être utilisés à des niveaux de lumière ambiante allant jusqu'à 100 lux. Les choix de sorties forme A et forme B incluent des transistors NPN/PNP pour les charges CC ou un thyristor pour les charges CA. Les détecteurs à alimentation CC ont une fréquence d'impulsion optique de 30 Hertz (Hz), tandis que les détecteurs à alimentation CA ont une fréquence d'impulsion de 5 Hz. Les détecteurs à alimentation CC fonctionnent entre 10 V_CC et 40 V_CC et sont dotés d'une LED qui indique que la sortie est activée. Les détecteurs à alimentation CA sont répertoriés pour des entrées nominales de 110 V_CA ou 230 V_CA.

Figure 6 : Ces détecteurs de niveau optiques sont disponibles dans un choix de boîtiers en polysulfone et en polyamide 12. (Source de l'image : Carlo Gavazzi)

Conclusion

Diverses technologies de détection, y compris magnétiques, capacitives, optiques et ultrasonores, sont disponibles pour contrôler la quantité de liquides, de granulés et de solides stockés dans des réservoirs, aider à surveiller les niveaux de stocks et contrôler les processus de fabrications. Ces détecteurs sont disponibles dans différents matériaux de boîtier adaptés à des environnements de fonctionnement spécifiques, tels que les hautes températures, les hautes pressions élevées et les processus de stérilisation.