Les commutateurs de niveau thermiques, vibrants et optiques sont des dispositifs spécialisés développés pour résoudre des problèmes spécifiques de détection de niveau. Ils sont généralement utilisés dans des applications qui ne peuvent pas être traitées par les dispositifs à flotteur et à sonde plus courants, ou lorsque les conceptions à ultrasons, nucléaires, radar ou micro-ondes seraient trop sophistiquées, coûteuses ou inadaptées à la tâche.
Les trois types peuvent être utilisés pour détecter les niveaux de liquide ou les interfaces entre les liquides. Le commutateur de niveau optique est également adapté à la détection de niveaux de mousse élevés, s'il est nettoyé au jet après chaque utilisation. Dans certaines applications spécialisées, ces trois types de commutateurs de niveau ont été réglés pour identifier des matériaux spécifiques ou pour déterminer quand un matériau atteint une viscosité, une densité, une opacité ou une conductivité thermique particulières.
Les trois modèles de commutateurs de niveau sont simples, faciles à utiliser et fiables. Bien que certains puissent détecter d'autres propriétés du processus en plus du niveau, leur objectif principal est de mesurer la présence ou l'absence de matière à un niveau particulier dans un réservoir.
Ces commutateurs sont particulièrement adaptés à une utilisation dans des équipements de traitement polyvalents où ils doivent être compatibles avec une grande variété de matériaux et de conditions de traitement. Ils ne nécessitent pas de recalibrage entre les lots et peuvent être nettoyés sur place.
Les capteurs à sonde vibrante sont souvent utilisés pour détecter des matériaux solides tels que les poudres, les solides en vrac, les céréales, la farine, les granulés de plastique, le ciment et les cendres volantes. Ils offrent d'excellentes performances en tant que commutateurs de niveau haut ou bas et peuvent être montés sur le dessus ou sur les côtés des réservoirs. La faible conductivité thermique des solides et les atmosphères poussiéreuses qui sont susceptibles d'exister dans l'espace vapeur des silos à solides tendent à exclure l'utilisation de commutateurs optiques et thermiques de la plupart des applications de mesure de niveau de solides. Lorsque les matériaux solides forment des cavités ou des ponts, peu de capteurs de niveau (à l'exception des capteurs de charge
ou les dispositifs à rayonnement) fonctionnent bien. Les performances des sondes vibrantes et des capteurs à diapason sont également discutables dans de telles applications, mais leur nature vibrante peut aider à effondrer les ponts ou à briser les trous de rat.
Les sondes vibrantes et à diapason peuvent tolérer une quantité raisonnable d'accumulation de matière ou, si elles sont recouvertes de PFA, peuvent être autonettoyantes dans certaines applications moins difficiles. Les commutateurs de niveau optiques sont disponibles avec des laveurs automatiques pour supprimer l'accumulation de revêtement après chaque épisode de niveau élevé. Les interrupteurs thermiques peuvent continuer à fonctionner lorsqu'ils sont légèrement recouverts, mais l'accumulation ajoute généralement une couche d'isolation thermique, ce qui finit par ralentir le temps de réponse.
Parmi les trois types de détecteurs de niveau présentés dans ce chapitre, seul le détecteur de niveau optique à laser est adapté à la détection du niveau de métal en fusion. Parmi les autres technologies de détection de niveau, les flotteurs réfractaires, les tubes à bulles réfractaires et les capteurs de capacité de proximité sont également utilisés dans les applications impliquant du métal en fusion.
Interrupteurs thermiques
Les interrupteurs de niveau thermiques détectent soit la différence entre les températures de l'espace vapeur et du liquide, soit, plus couramment, l'augmentation de la conductivité thermique lorsqu'une sonde est immergée dans le liquide de traitement.
L'un des modèles de commutateurs de niveau thermiques les plus simples consiste en un capteur de température chauffé avec un apport de chaleur constant. Tant que la sonde se trouve dans l'espace vapeur, elle reste à une température élevée, car les vapeurs à faible conductivité ne dissipent pas beaucoup de chaleur. Lorsque la sonde est immergée, le liquide absorbe plus de chaleur et la température de la sonde baisse. Le commutateur est actionné lors de l'utilisation de ce
changement de température se produit.
Another type of thermal sensor uses two resistance temperature detectors (RTDs), both mounted at the same elevation. One probe is heated and the other provides an unheated reference. The outputs of both sensors are fed into a Wheatstone bridge (Figure 10-1). While the sensor is in the vapor phase, the heated probe will be warmer than the reference probe, and the bridge circuit will be unbalanced. When both probes are submerged in the process liquid, their temperatures will approach that of the liquid. Their outputs will be nearly equal and the bridge will be in balance. This level switch is actuated when a change in bridge balance occurs.
Un autre type de capteur thermique utilise deux détecteurs de température à résistance (RTD), tous deux montés à la même hauteur. Une sonde est chauffée et l'autre sert de référence non chauffée. Les sorties des deux capteurs sont transmises à un pont de Wheatstone (Figure 10-1). Lorsque le capteur est en phase vapeur, la sonde chauffée est plus chaude que la sonde de référence et le circuit du pont est déséquilibré. Lorsque les deux sondes sont immergées dans le liquide de traitement, leur température se rapproche de celle du liquide. Leurs sorties sont alors presque égales et le pont est en équilibre. Ce commutateur de niveau est actionné lorsqu'un changement dans l'équilibre du pont se produit. Étant donné que tous les matériaux de traitement ont un coefficient de transfert thermique caractéristique, les commutateurs de niveau thermiques peuvent être calibrés pour détecter la présence ou l'absence de tout liquide. Par conséquent, ces commutateurs peuvent être utilisés dans des conditions difficiles, telles que les interfaces, les boues et les applications de boues. Ils peuvent également détecter les mousses thermoconductrices s'ils sont nettoyés par pulvérisation après chaque fonctionnement.
Les commutateurs de niveau et d'interface thermiques ne comportent aucune pièce mécanique mobile et sont conçus pour des pressions allant jusqu'à 3 000 psig et des températures de processus comprises entre -75 et 175 °C (-100 et 350 °F). Lors de la détection du niveau d'eau, le temps de réponse est généralement de 0,5 seconde et la précision est de l'ordre de 2 mm. En général, les commutateurs de niveau thermiques fonctionnent mieux avec des liquides non revêtants et des boues ayant une densité de 0,4 à 1,2 et une viscosité de 1 à 300 cP.
Un troisième type de commutateur thermique utilise également deux capteurs à l'intérieur de la même sonde verticale. L'un est monté au-dessus de l'autre et les deux sont connectés à une source de tension. Lorsque les deux sont en phase vapeur ou en phase liquide, le courant qui traverse les deux capteurs est le même. Si, en revanche, le capteur inférieur est en phase liquide et le capteur supérieur en phase vapeur, le courant qui traverse le capteur inférieur sera plus important. Un comparateur de courant peut détecter cette différence et signaler que le capteur a atteint l'interface vapeur/liquide.
Une fonctionnalité intéressante de cette conception est que la capsule du capteur peut être suspendue par un câble dans un réservoir ou un puits, et que la sortie du capteur peut être utilisée pour entraîner le moteur d'enroulement du câble. De cette manière, le commutateur de niveau peut être utilisé comme détecteur continu de l'emplacement de l'interface vapeur/liquide.
Les thermomètres peuvent également être utilisés pour détecter le niveau dans des processus à température plus élevée, par exemple pour mesurer le niveau d'acier en fusion dans des moules de coulée. Les thermomètres ne touchent pas réellement le métal en fusion ; ils identifient plutôt l'endroit où la température à l'extérieur du moule augmente soudainement. Il s'agit du niveau à l'intérieur du moule. À l'aide de plusieurs capteurs espacés verticalement, le système peut déterminer le niveau de métal en fusion dans le moule à quelques millimètres près.
Commutateurs de niveau
Les commutateurs de niveau à vibration détectent l'amortissement qui se produit lorsqu'une sonde vibrante est immergée dans un milieu de processus. Les trois types de capteurs vibrants (à lame, à sonde et à diapason) se distinguent par leur configuration et leur fréquence de fonctionnement (respectivement 120, 200-400 et 85 Hz). Leur mode de fonctionnement et leurs applications sont similaires. Le commutateur à lame consiste en une palette, un pilote et un capteur (Figure 10-2). La bobine du pilote induit une vibration de 120 Hz dans la palette qui est soumise à l'amortissement lorsque celle-ci est recouverte par un matériau de processus. Le commutateur peut détecter à la fois les niveaux ascendants et descendants, et seule sa profondeur d'actionnement (la profondeur du matériau au-dessus de la palette) augmente à mesure que la densité du fluide de processus diminue. La variation de la profondeur d'actionnement est généralement inférieure à un pouce. Un interrupteur à lames peut détecter les interfaces liquide/liquide, liquide/vapeur et solide/vapeur, et peut également signaler les variations de densité ou de viscosité.
Lorsqu'il est utilisé sur des poudres humides, le palet vibrant a tendance à créer une cavité dans les solides granulaires. Si cela se produit, des lectures erronées en résulteront, car le capteur confondra la cavité avec l'espace de vapeur.
Il est préférable d'utiliser un interrupteur à lames dans les applications sans revêtement ou de prévoir un lavage automatique par pulvérisation après chaque immersion dans une boue ou une suspension. Les capteurs vibrants de type sonde sont moins sensibles à l'accumulation de matière ou au revêtement. La sonde vibrante est un élément rond en acier inoxydable (ressemblant à un puits thermométrique) qui s'enfonce dans la matière. Si elles sont revêtues de PFA et insérées à un certain angle, ces sondes ont tendance à s'auto-nettoyer. Le moteur et le capteur sont tous deux des éléments piézoélectriques : l'un provoque la vibration et l'autre la mesure. Lorsque la sonde est enfouie sous le processus
matériau, sa vibration est amortie et cette diminution déclenche le commutateur.
Les capteurs à sonde vibrante peuvent être utilisés pour surveiller les poudres, les solides en vrac et les matériaux granulaires tels que les céréales, la farine, les granulés de plastique, le ciment et les cendres volantes. Leur nature vibrante tend à minimiser les ponts qui se forment dans les matériaux solides. Les capteurs à diapason sont mis en vibration à environ 85 Hz par un cristal piézoélectrique, tandis qu'un autre cristal piézoélectrique détecte la vibration. Lorsque le fluide de process monte et recouvre les diapasons, la fréquence de vibration change.
Tout comme les sondes vibrantes, les diapasons peuvent être autonettoyants s'ils sont recouverts de PFA et installés à un certain angle. Ils peuvent également être étalonnés pour détecter une large gamme de matériaux, notamment les huiles lubrifiantes, les fluides hydrauliques, l'eau, les matériaux corrosifs, le sable, les fluides épais et turbulents, les poudres, les granulés légers et les pâtes.
Les capteurs à diapason peuvent être fabriqués avec des composants en PVDF, polypropylène, acier inoxydable, acier au carbone et Aluminium. Ils sont disponibles avec des revêtements en PFA ou en versions hygiéniques pour les applications sanitaires.
Les capteurs à vibration peuvent être utilisés pour déterminer les niveaux de liquides, de solides et de boues. Les interrupteurs à lames peuvent fonctionner à des pressions allant jusqu'à 3 000 psig, tandis que les diapasons et les sondes à vibration sont limités à 150 psig. Les températures de fonctionnement vont de -100 à 150 °C (-150 à 300 °F) et le temps de réponse est d'environ 1 seconde.
Commutateurs optiques
Utilisant la lumière visible, infrarouge ou laser, les capteurs optiques s'appuient sur les propriétés de transmission, de réflexion ou de réfraction de la lumière du matériau traité lors de la mesure de son niveau. Le commutateur de niveau optique peut être de type à contact ou
sans contact.
Dans un capteur optique réfléchissant sans contact, un faisceau lumineux est dirigé vers la surface du matériau traité. Lorsque le niveau de cette surface atteint le point de consigne du commutateur, le faisceau lumineux réfléchi est détecté par une cellule photoélectrique. La source lumineuse LED et le photodétecteur sont tous deux logés dans le même boîtier.
En réglant la cellule photoélectrique ou l'électronique de détection, le capteur peut être étalonné pour détecter des niveaux à des distances comprises entre 0,25 et 12 pouces sous le capteur. Ces interrupteurs à réflexion peuvent mesurer les niveaux de liquides clairs, translucides, réfléchissants et opaques. Certains solides peuvent également être détectés. En utilisant plusieurs cellules photoélectriques, un capteur peut détecter plusieurs niveaux.
La lumière laser peut également être utilisée pour effectuer des mesures de niveau difficiles, telles que celles de métaux en fusion, de verre en fusion, de plaques de verre ou de tout autre type de matériau solide ou liquide ayant une surface réfléchissante. Si le module récepteur est entraîné par un moteur, elle peut suivre le faisceau laser réfléchi à mesure que le niveau monte et descend, agissant ainsi comme un transmetteur de niveau continu.
Un capteur à réfraction repose sur le principe selon lequel la lumière infrarouge ou visible change de direction (se réfracte) lorsqu'elle traverse l'interface entre deux milieux. Lorsque le capteur est en phase vapeur, la majeure partie de la lumière émise par la LED est réfléchie dans un prisme (Figure 10-3). Lorsque le prisme est immergé, la majeure partie de la lumière se réfracte dans le liquide et la quantité de lumière réfléchie qui atteint le récepteur diminue considérablement. Par conséquent, une baisse du signal lumineux réfléchi indique un contact avec le liquide de traitement.
Un capteur à réfraction ne peut pas être utilisé avec des boues ou des liquides de revêtement, à moins d'être lavé au jet après chaque immersion. Même quelques gouttes de liquide sur le prisme réfracteront la lumière et entraîneront des lectures erronées. Les capteurs à réfraction sont conçus pour être immergés dans des liquides ; par conséquent, ils peuvent être installés en nombre illimité sur un tuyau vertical afin de détecter plusieurs points de niveau.
Les capteurs optiques à transmission envoient un faisceau lumineux à travers le réservoir. Un capteur de niveau de boue de ce type utilise une LED et une cellule photoélectrique à l'extrémité d'une sonde, situées à la même hauteur et séparées de quelques centimètres. Pour déterminer le niveau de boue, un mécanisme (ou un opérateur, manuellement) abaisse la sonde dans le réservoir jusqu'à ce que les capteurs rencontrent la couche de boue.
D'autres capteurs à transmission reposent sur le principe de la réfraction et utilisent un câble à fibre optique non gainé en forme de U. Une source lumineuse transmet un faisceau lumineux pulsé à travers le câble à fibre optique, et le capteur mesure la quantité de lumière qui revient. Si le câble est recouvert de liquide, la lumière sera réfractée loin du câble. L'utilisation de la fibre optique rend le système insensible aux interférences électriques, et certaines conceptions sont également intrinsèquement sûres.
Les capteurs optiques peuvent fonctionner à des pressions allant jusqu'à 500 psig et à des températures allant jusqu'à 125 °C (260 °F). Le temps de réponse est pratiquement immédiat et la précision de détection de la plupart des modèles est de l'ordre de 1 mm. Les commutateurs de niveau optiques sont également conçus pour des applications spécifiques ou uniques. Par exemple, des commutateurs de niveau optiques en PFA sont disponibles pour détecter le niveau de liquides ultra-purs. D'autres modèles uniques comprennent un commutateur de niveau qui combine un capteur optique et un capteur de niveau de type Conductivité pour détecter la présence à la fois d'eau (conductrice) et d'hydrocarbures (non conducteurs).
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