Tableau 6 : Cliquez sur l'image pour l'agrandir. Les détecteurs de niveau à capacité sont également appelés capteurs de niveau à radiofréquence (RF) ou à admittance. Ils fonctionnent dans la gamme des basses fréquences radio (MHz) et mesurent l'admittance d'un circuit à courant alternatif (CA) qui varie en fonction du niveau. L'admittance est une mesure de la conductivité dans un circuit CA et est l'inverse de l'impédance. L'admittance et l'impédance dans un circuit CA sont similaires à la conductance et à la résistance dans un circuit à courant continu (CC). Dans ce chapitre, le terme « capteur de niveau à capacité » sera utilisé. 
Figure 8-1 : Cliquez sur la figure pour l'agrandir. au lieu de RF ou d'admittance.
Le tableau 6 répertorie certaines des industries et applications dans lesquelles les capteurs de niveau de type capacitif sont utilisés.
Théorie du fonctionnement
Un condensateur se compose de deux conducteurs (plaques) qui sont isolés électriquement l'un de l'autre par un non-conducteur (diélectrique). Lorsqu'il y a des potentiels (tensions) différents entre les deux conducteurs, le système est capable de stocker une charge électrique. La capacité de stockage d'un condensateur est mesurée en farads. Comme le montre la figure 8-1, les plaques du condensateur ont une surface (A) et sont séparées par un espace (D) rempli d'un matériau non conducteur (diélectrique) de constante diélectrique (K). La constante diélectrique du vide est de 1,0 ; les constantes diélectriques de divers matériaux sont répertoriées dans le tableau 7.
La constante diélectrique d'une substance est proportionnelle à son admittance. Plus la constante diélectrique est faible, plus l'admittance du matériau est faible (c'est-à-dire moins il est conducteur). La capacité (C) est calculée comme suit :
C=KA/D
Si la surface (A) et la distance (D) entre les plaques d'un condensateur restent constantes, la capacité ne variera qu'en fonction de la constante diélectrique de la substance remplissant l'espace entre les plaques. Si une variation de niveau entraîne une variation du diélectrique total du système de capacité, car (comme illustré à la figure 8-1B) la partie inférieure de la surface (A) est exposée à un liquide (diélectrique Kl) tandis que la partie supérieure est en contact avec une vapeur (diélectrique Kv, proche de 1,0), la mesure de la capacité sera proportionnelle au niveau. Dans le cas d'un commutateur de niveau monté horizontalement (figure 8-2), une sonde conductrice forme l'une des plaques du condensateur (A1), et la paroi du réservoir (en supposant qu'elle soit constituée d'un matériau conducteur) forme l'autre (A2). Un isolant à faible constante diélectrique est utilisé pour isoler la sonde conductrice du boîtier, qui est connecté à la paroi du réservoir. La sonde est connectée au capteur de niveau par les fils conducteurs du boîtier. La mesure est effectuéeIn the case of a horizontally mounted level switch (Figure 8-2), a conductive probe forms one of the plates of the capacitor (A1), and the vessel wall (assuming it is made from a conductive material) forms the other (A2). An insulator with a low dielectric constant is used to isolate the conductive probe from the housing, which is connected to the vessel wall. The probe is connected to the level sensor via the conductive threads of the housing. Measurement is made
Figure 8-2 : Cliquez sur la figure pour l'agrandir. en appliquant un signal RF entre la sonde conductrice et la paroi du réservoir. Le signal RF entraîne un flux de courant infime à travers le matériau diélectrique dans le réservoir, de la sonde à la paroi du réservoir. Lorsque le niveau dans le réservoir baisse et que la sonde est exposée à des vapeurs encore moins conductrices, la constante diélectrique diminue. Cela entraîne une baisse de la lecture de la capacité et une infime
Figure 8-3 : Cliquez sur la figure pour l'agrandir. baisse du débit de courant. Ce changement est détecté par les circuits internes du commutateur de niveau et traduit en un changement de l'état du relais du commutateur de niveau. Dans le cas des détecteurs de niveau continus (sondes verticales), la sortie n'est pas un état de relais, mais un signal analogique mis à l'échelle. La surface totale est la surface combinée de la sonde du capteur de niveau et de la paroi conductrice du récipient (A = A1 + A2), et la distance (D) est la distance la plus courte entre la sonde du capteur et la paroi du récipient. Ces deux valeurs sont fixes. Par conséquent, lorsque la sonde n'est plus entourée de vapeurs (K1), mais par le matériau de traitement (K2), le changement de capacité qui en résulte est directement lié à la différence de constante diélectrique entre les deux milieux :
Variation de C=(K2-K1)(A/D)
La sensibilité d'un capteur de capacité est exprimée en picofarads (pF). L'unité de capacité est le farad, défini comme le potentiel créé lors de la connexion d'une batterie d'un volt à un condensateur qui provoque le stockage d'un coulomb d'énergie électrique. Un picofarad correspond à un trillionième de cette valeur, et la sensibilité d'un détecteur de capacité précis est de 0,5 pF. Il s'agit de la variation minimale détectable de la capacité résultant d'une variation de la constante diélectrique (K2 -K1).Dans la plupart des applications de détection de niveau, le matériau de référence est l'air (K1 = 1,0). Le tableau 7 indique les valeurs K2 d'une variété de matériaux de traitement. Plus la constante diélectrique du matériau de traitement se rapproche de celle de l'air (K2 pour les granulés de plastique, par exemple, est de 1,1), plus la mesure devient difficile.
Conceptions des sondes
La conception de sonde la plus courante est une tige en acier inoxydable de 1/4 ou 1/2 pouce de diamètre, adaptée à la plupart des matériaux non conducteurs et non corrosifs. La sonde est isolée du boîtier et de la paroi du silo par un isolant à faible constante diélectrique, tel que le nylon ou le Ryton. Ces polymères ont une température de fonctionnement maximale de 175 à 230 °C (350 à 450 °F). La céramique peut être utilisée pour des applications à température plus élevée ou si une résistance à l'abrasion est requise. Pour les applications où le matériau de traitement est conducteur et corrosif, la sonde doit être recouverte de PFA ou de Kynar.
Certains capteurs de niveau ponctuels sont disponibles avec une immunité aux accumulations ou une fonctionnalité de rejet des revêtements. Cela est nécessaire lorsque le matériau de traitement est humide ou collant et susceptible de provoquer un revêtement permanent. L'immunité aux accumulations est assurée par l'ajout d'une deuxième section active de la sonde et d'un deuxième isolant (Schéma 8-3). Cette deuxième section active (le blindage piloté) est pilotée au même potentiel et à la même fréquence que la sonde de mesure. Comme le courant ne peut pas circuler entre des potentiels égaux, la sonde de mesure
Les sondes capacitives sont généralement recouvertes de PFA (illustré), de Kynar ou de polyéthylène ne détecte pas l'accumulation de matière entre la sonde et la paroi du réservoir.
Les longueurs d'insertion typiques des sondes à capacité standard varient de 7 à 16 pouces. Ces sondes sont généralement montées sur le côté (Figure 8-4A). Les sondes verticales peuvent être prolongées à l'aide de tiges solides jusqu'à une longueur de 1,2 à 1,5 m (4 à 5 pieds), ou d'un câble en acier avec un poids.
Figure 8-4 : Cliquez sur la figure pour l'agrandir.
pour suspendre la sonde jusqu'à 15 m (50 ft) (Figure 8-4B). La plupart des capteurs de niveau à capacité sont équipés de connecteurs de montage NPT de 3/4 à 1- 1/2 pouce. Le raccord femelle correspondant est généralement soudé à la paroi du réservoir et la sonde à capacité est vissée dans le connecteur correspondant. Des capteurs à capacité à profil bas sont également disponibles (Figure 8-4C) et sont montés sur bride.
Dans les applications où le réservoir est non conducteur et incapable de former le chemin de retour pour le signal RF, une deuxième sonde placée parallèlement à la sonde active ou une bande conductrice peut être installée.
Électronique et boîtiers
Le circuit électronique de la sonde remplit les fonctions suivantes : 1) rectifier et filtrer l'alimentation entrante, 2) générer le signal radiofréquence, 3) mesurer les variations du flux de courant, et 4) piloter et contrôler les dispositifs d'interface tels que les relais, les générateurs de signaux analogiques et les compteurs d'affichage. Les circuits sont généralement de conception à semi-conducteurs et équipés de potentiomètres permettant de régler la sensibilité et les temporisations.
Étant donné que le capteur de niveau commande en fin de compte un dispositif externe, il est conseillé d'évaluer la compatibilité du système en termes de nombre de relais nécessaires, de leurs capacités ou des signaux analogiques requis, des temporisations et des exigences en matière d'alimentation électrique. Les unités plus avancées à microprocesseur sont auto-calibrées ; les réglages de sensibilité et de temporisation s'effectuent à l'aide de boutons poussoirs. Ces appareils sont souvent équipés d'une fonction d'autotest et d'une compensation de température intégrée.
Les modèles les plus avancés sont également à deux fils, à sécurité intrinsèque, et offrent au choix une sortie standard 4-20 mA ou une sortie numérique améliorée utilisant le protocole HART (Highway
Tableau 7 : Cliquez sur l'image pour l'agrandir. Transducteur distant adressable). La précision (y compris la linéarité, l'hystérésis et la répétabilité, mais à l'exclusion des effets de la température et de la tension d'alimentation) est généralement de 0,25 % de la plage. La plage minimale est de 4 pF et la limite supérieure de la plage (URL) est de 2 500 pF.
Les commutateurs de niveau sont généralement équipés de temporisations afin de filtrer les lectures erronées causées par les déplacements de matériaux ou les projections de liquides. De plus, la fonctionnalité de sélection de sécurité offre un état prédéterminé pour la sortie du relais en cas de défaut d’alimentation ou de dysfonctionnement.
Les boîtiers des capteurs sont généralement fabriqués en aluminium moulé, en acier ou en matériaux synthétiques tels que le nylon renforcé de verre. La plupart des boîtiers conviennent à une installation en extérieur dans des environnements poussiéreux ou humides.
La constante diélectrique
La constante diélectrique du matériau traité est l'aspect le plus important des données de processus. Plus la différence entre les constantes diélectriques (du matériau traité et de l'espace vapeur ou entre les deux couches dans le cas d'une mesure d'interface) est élevée, plus la mesure est facile. Si la différence est faible (K2-K1 < 1,0 dans la figure 8-2), une conception à haute sensibilité (0,5 pF) doit être utilisée.
Chaque capteur a un seuil de capacité
, défini comme la variation de capacité nécessaire pour provoquer une variation de la sortie du capteur. La constante diélectrique d'un matériau peut varier en fonction de la température, de l'humidité, de la densité apparente du matériau et de la taille des particules. Si la variation de la constante diélectrique entraîne une variation de capacité supérieure au seuil de capacité calibré du capteur, cela se traduira par une lecture erronée. Cette situation peut généralement être corrigée en réduisant la sensibilité (en augmentant le seuil de capacité) du capteur. Comme le montre la figure 8-3, la sensibilité peut être augmentée en augmentant la longueur de la sonde (A) ou en réduisant la taille de l'espace (D). L'une ou l'autre de ces modifications, ou les deux, minimiseront l'effet des fluctuations de la constante diélectrique ou augmenteront la sensibilité aux diélectriques faibles. Il est généralement plus pratique de spécifier une sonde plus longue que de réduire la distance (D) par rapport à la paroi du réservoir. Lorsque la sonde est installée sur le côté (figure 8-4A), D est fixe, tandis que si la sonde est insérée par le haut du réservoir, D peut être modifié (si d'autres considérations le permettent) en rapprochant la sonde de la paroi du réservoir.
Si le même réservoir contient différents matériaux à différents moments, le Capteur de capacité doit être
If the same vessel will hold different materials at different times, the capacitance sensor must be 
Figure 8-5 : Cliquez sur la figure pour l'agrandir.
être équipé d'une fonction de recalibrage local ou à distance.
Les matériaux de faible densité inférieure à 20 lb/ft3 et les matériaux dont la taille des particules dépasse 1/2 pouce de diamètre peuvent poser un problème en raison de leurs constantes diélectriques très bases (causées par la grande quantité d'espace aérien entre les particules). Ces applications peuvent ne pas convenir à la mesure de niveau par capacité.
Considérations relatives à l'application
Les matériaux conducteurs (liquides à base d'eau avec une conductivité de 100 micromhos/cm ou plus) peuvent provoquer un court-circuit entre une sonde en acier inoxydable nue et la paroi du réservoir. Lorsque le niveau de liquide baisse, la sonde reste humide, créant ainsi un chemin conducteur entre la sonde et la paroi du réservoir. Plus le niveau change rapidement, plus ce faux signal est susceptible de se produire. Il est conseillé d'utiliser un revêtement isolant en PFA ou en Kynar sur la surface conductrice de la sonde lorsque le fluide de process est conducteur.
La température affecte à la fois les composants du capteur à l'intérieur du réservoir (sondes actives et isolants) et les composants électroniques et le boîtier à l'extérieur. Une sonde active est généralement fabriquée en acier inoxydable et, en tant que telle (à moins qu'elle ne soit revêtue), elle convient à la plupart des applications. Les isolants des sondes peuvent être en PFA, en Kynar ou en céramique, et doivent être sélectionnés en fonction de la température de fonctionnement de l'application. Le boîtier et les composants électroniques sont affectés par les températures internes et externes du récipient.
Les limites de température ambiante sont généralement spécifiées par le fabricant, mais la conduction thermique provenant d'un processus à haute température est plus difficile à évaluer. La conduction thermique peut être réduite en utilisant un raccord de montage prolongé ou un raccord fabriqué dans un matériau à faible conductivité thermique. Si ces méthodes s'avèrent insuffisantes, les composants électroniques peuvent être montés à une distance maximale de 6 mètres et connectés via un câble coaxial. La capacité inhérente au câble réduit toutefois la sensibilité globale du système.
Les boîtiers doivent également être compatibles avec les exigences des environnements dangereux, humides, humides et/ou poussiéreux. Les environnements antidéflagrants peuvent nécessiter une certification du boîtier. En outre, la sonde active peut devoir être intrinsèquement sûre.
Si le matériau de traitement est corrosif pour l'acier inoxydable, la sonde doit être recouverte de Kynar ou de PFA pour la protéger. Le Ryton est un bon choix pour les matériaux abrasifs et, pour les applications alimentaires ou sanitaires, l'acier inoxydable et le PFA constituent une bonne combinaison sonde-isolant.
Considérations relatives à l'installation
La sonde capacitive doit être montée de manière à ce que son fonctionnement ne soit pas affecté par le débit de matière entrant ou sortant (Figure 8-5A). Les impacts de matière peuvent entraîner des lectures erronées ou endommager la sonde et l'isolant. Lors de la mesure de matières à faible constante diélectrique, il est important que toute la sonde soit recouverte, et pas seulement la pointe (Figure 8-5C). Lorsque des rallonges de tige ou de câble sont utilisées, prévoyez une couverture active de la sonde de 20 à 30 cm.
Installez la sonde de manière à ce qu'elle n'entre pas en contact avec la paroi du réservoir (Figure 8-5B) ou avec des éléments structurels du réservoir. Si une rallonge de câble est utilisée, prévoyez un balancement du câble lorsque le niveau de matière dans le réservoir augmente, afin que le fil à plomb à l'extrémité du câble ne touche pas la paroi du réservoir. La sonde ne doit pas être montée à un endroit où le matériau peut former un pont entre la sonde active et la paroi du réservoir. De plus, la sonde ne doit pas être montée à un angle ascendant (Figure 8-5D), afin d'éviter l'accumulation de matériau.
Si plusieurs capteurs de niveau à capacité sont montés dans le réservoir, une distance minimale de 18 pouces doit être respectée entre les sondes (Figure 8-5E). Si elles sont plus proches, leurs champs électromagnétiques pourraient interférer. Si une sonde à capacité est installée à travers la paroi latérale d'un récipient et que le poids du matériau de traitement agissant sur la sonde est parfois excessif, un déflecteur de protection doit être installé au-dessus du capteur (Figure 8-4A).
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