La détection d'un niveau est une simple comparaison de la valeur de celui-ci avec une valeur de référence. Le signal de sortie d'un détecteur est donc binaire (on dit T.O.R. pour "tout ou rien") alors qu'un capteur de mesure d'un niveau fournit un signal image continue et fine de ce niveau.
Les détecteurs sont donc des systèmes en général d'un coût moins élevé que celui des dispositifs de mesure continue mais fiables car la sécurité des personnels et des installations repose souvent sur eux.
Ne pouvant tous les citer, nous nous limiterons à quelques principes, les plus utilisés.
Mis à part le pesage du réservoir, il y a tout d'abord les différents principes de mesure étudiés précédemment, chacun pouvant être utilisé pour une simple détection (qui peut le plus peut le moins !). En voici quelques exemples.
- Un pressostat, ouvrant ou fermant un contact électrique selon que la pression est plus grande ou plus petite qu'une valeur de référence réglable, sera la version T.O.R. du principe de mesure hydrostatique.
- Un plongeur suspendu à un ressort dont l'étirement (lié au poids apparent du plongeur donc au niveau qui est la hauteur d'immersion) est utilisé pour faire basculer un contact électrique sera la version T.O.R. du principe de mesure par plongeur.
- La version T.O.R. du principe de mesure capacitive sera une sonde capacitive dont la capacité mesurée dépasse une valeur de référence réglable en faisant basculer un contact électrique.
Voici maintenant deux autres applications T.O.R. de ces principes déjà vus pour la mesure de niveau, avec animation ou schéma en illustration.
Détection de niveau par flotteur
Un flotteur est guidé par un tube non magnétique étanche qui le traverse en son centre et le long duquel il se déplace verticalement. A l'intérieur du flotteur se trouve un aimant permanent. De même, à l'extrémité du tube se trouve un aimant fixe de pôle opposé à celui de l'aimant mobile situé dans le flotteur. Ces deux aimants ont tendance à se repousser, donc un liquide de faible densité peut aussi déplacer le flotteur lors de la montée de son niveau. Lorsque le niveau monte, l'aimant du flotteur passe autour de la capsule du relais bistable (type Reed) dont le contact change d'état. Ses lamelles contact sont en effet sensibles à l'action du champ magnétique. Ce contact ne s'inversera qu'au passage du flotteur à la descente du niveau.
Avantages: simplicité, coût, indépendance par rapport aux caractéristiques physiques (en particulier la masse volumique) et électriques du produit
Inconvénients: ne convient qu'avec les liquides et à condition qu'ils soient peu corrosifs, peu agités, peu chargés de particules susceptibles de se déposer, entretien nécessaire (usure, corrosion, dépôts, ...)
Détection de niveau par micro-ondes
On appelle parfois ce dispositif une barrière à micro-ondes.
Ici, le faisceau d'ondes électromagnétiques à très haute fréquence (ondes "radar" de fréquence de l'ordre de plusieurs GHz soit une longueur d'onde comprise entre le mm et le m) est émis selon un axe horizontal. Lorsque le produit s'interpose entre l'émetteur et le récepteur, l'onde perçue par ce dernier est affaiblie. Le circuit électronique traitant le signal de réception change alors l'état d'un contact ou la valeur du signal binaire de sortie.
Les micro-ondes traversent les parois en plastique (P.V.C, polyéthylène, téflon, ...) mais pas les parois métalliques donc l'émetteur et le récepteur sont protégés du produit par une paroi en plastique ou en verre, la paroi latérale métallique du réservoir étant percée de deux trous en vis-à-vis. Avec un réservoir en plastique, le montage peut être entièrement extérieur.
Avantages: mesure sans contact, convient pour de très nombreux produits liquides ou solides (en poudre, granulés ou en vrac), pas d'influence des poussières ou de la vapeur, peu d'entretien
Inconvénients: ne convient pas pour les produits plastiques
Remarques
- Ce principe est aussi utilisé avec un détecteur à rayons g. Le schéma est le même, mais l'émetteur est une source radioactive directive et le récepteur est un détecteur de radiation du type scintillateur.
- Autre solution proposée: le détecteur à ultrasons non "intrusif". Ce dispositif est situé entièrement en dehors du réservoir comme le détecteur à rayons g.
- La détection se fait aussi avec un dispositif de mesure par radar ou par ultrasons situé au dessus du produit et détectant un temps de propagation de l'onde inférieur ou supérieur à un seuil fixé.
Voici maintenant quelques exemples des nombreux autres principes de détection.
Détection de niveau par sonde(s) de conductivité
Une sonde (électrode, simple tige métallique d'axe vertical isolée de la masse du réservoir) a son extrémité inférieure toujours immergée dans le liquide. Celui-ci est conducteur de l'électricité (ex: eau, acide). Lorsque le niveau monte, ce liquide arrive en contact avec l'extrémité de la deuxième sonde située plus haut. Le circuit électrique est alors fermé, un courant alternatif sous très basse tension passant entre ces deux électrodes. Cette variation de résistance du milieu qui passe de l'état d'isolant (gaz ou vapeur) à l'état conducteur (liquide) produit une variation de tension détectée par un circuit électronique qui change l'état d'un contact ou d'un signal de sortie.
Le circuit électronique permet de régler la valeur du seuil de résistance entre électrodes en dessous duquel on veut que le contact change d'état.
Il est simple de placer plusieurs détections de niveau (très basse, basse, haute, très haute, ...) en utilisant des sondes (électrodes) de longueurs différentes.
On remplace parfois l'électrode la plus longue dont l'extrémité doit toujours être immergée par la masse du réservoir s'il est métallique.
Une électrode peut aussi être montée horizontalement si on dispose d'un piquage latéral sur le réservoir.
On utilise un courant alternatif sous faible tension pour éviter tout risque d'électrocution et sous faible intensité pour qu'il n'y ait pas d'électrolyse du liquide dont on mesure le niveau.
Avantages: simplicité, coût, indépendance par rapport aux caractéristiques physiques du produit (en particulier sa masse volumique)
Inconvénients: ne convient qu'avec les liquides et à condition qu'ils soient conducteurs électriques (eau, acides, solutions), peu corrosifs (sinon, remplacer périodiquement les électrodes, leur cout étant faible), peu chargés de particules susceptibles de se déposer
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Détection de niveau par lames vibrantes
Deux lames métalliques parallèles agencées côte à côte sur une membrane métallique sont amenées par effet piézo-électrique à leur fréquence de résonance. Lorsqu'elles entrent en contact avec le produit, la fréquence ainsi que l'amplitude de vibration de ces deux lames diminue.
Ci-dessous les deux animations montrent au ralenti la variation de fréquence de vibration des lames avec leur immersion dans le liquide.
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Pour la détection d'un niveau de liquide, un circuit électronique détecte la variation de fréquence d'oscillation des lames et la traduit en un changement d'un signal de sortie "tout ou rien".
Pour la détection d'un niveau de produit solide en poudre ou en grains pas trop gros, un circuit électronique détecte la variation d'amplitude des oscillations des lames et la traduit en un changement d'un signal de sortie "tout ou rien".
L'allure de ces lames, sorte de fourche, s'apparente donc à celle d'un diapason. La fréquence de résonnance, par exemple de 85 Hz ou de 120 Hz, est choisie de façon à éviter les perturbations de la fréquence du secteur (50 Hz). Ce système ne nécessite aucun réglage.
Basées sur le même principe, il existe aussi des sondes à tige vibrante (une seule tige de gros diamètre au lieu des deux lames).
Les sondes peuvent aussi bien être montées horizontalement que verticalement.
Avantages: dispositif convenant aussi bien aux liquides (même visqueux, assez corrosifs, ou assez chargés de particules solides) qu'aux solides en poudre ou en grains de granulométrie jusqu'à 10 mm, peu encombrant (il suffit d'un piquage de diamètre 25 mm), robuste, pratiquement sans usure donc sans entretien (pas de pièces mobiles)
Inconvénients: contact avec le produit, ne convient pas aux fluides très corrosifs ou très chargés de particules solides pouvant se déposer et bloquer les lames, aux solides de granulométrie supérieure à 10 mm, pression maximale de service limitée (ex: 20 bars).
Détecteur de niveau à palettes rotatives
Ce principe est utilisé avec les produits solides pulvérulents. Un moteur fait tourner lentement une ou plusieurs palettes métalliques (exemple du schéma ci-dessus: 4 plaques rectangulaires soudées en croix sur l'arbre du moteur). Lorsque le produit entrave la rotation des palettes, le couple résistant augmente. Un dispositif mécanique ou électrique détecte cette variation du couple et actionne un contact.
Le dispositif mécanique est par exemple un déplacement du moteur lorsque son couple résistant augmente ce qui actionne un contact, un ressort ramenant le moteur en position normale quand le niveau du produit est redescendu.
Le dispositif électrique est basé sur la détection d'une augmentation de l'intensité du courant consommé par le moteur du fait de l'augmentation du couple à fournir pour faire tourner les palettes en présence de produit.
Avantages: simple, économique, pas de réglage nécessaire, montage vertical ou horizontal
Inconvénients: ne convient qu'aux solides de granulométrie jusqu'à 10 mm (pulvérulents, granuleux, en vrac à condition de ne pas déteriorer le détecteur), non abrasifs, usure car mouvement donc entretien nécessaire, pour pression et température peu élevées
Détecteurs de niveau optiques
- principe ancien
Le faisceau lumineux étroit et directif, d'axe horizontal d'une lampe est détecté par une cellule photoélectrique. Lorsque le niveau de liquide (non transparent) intercepte ce faisceau, l'intensité lumineuse reçue par la cellule diminue. Si le liquide est transparent (par exemple, de l'eau propre), il peut aussi réfléchir un faisceau lumineux oblique vers une cellule qui ne le détecte alors qu'à niveau haut.
L'émetteur est souvent une diode électroluminescente pour la faible puissance électrique qu'elle nécessite. Un dispositif optique permet d'obtenir un faisceau lumineux cylindrique. Le récepteur est une photorésistance, un phototransistor ou une cellule photoémissive. Un circuit électronique traite le signal de bas niveau du récepteur et actionne un relais lorsqu'un seuil de tension réglable est atteint.
- à fibre optique
L'indice de réfraction du liquide est différent de celui de l'air. Lorsque le niveau est bas le rayon lumineux (faisceau très fin, en rouge sur l'animation ci-dessus) arrivant dans la fibre optique est réflechi par son extrémité en forme de prisme et détecté à sa sortie. Par niveau haut, le rayon est réfracté dans le liquide.
Avantages: simple, économique,
Inconvénients: ne convient qu'aux liquides calmes, sans mouse, ne comportant pas trop de particules solides susceptibles de se déposer, n'attaquant pas le verre ou les plastiques transparents (ex: plexiglas, altuglas), ne convient qu'aux atmosphères gazeuses pas trop denses ni changeantes, entretien (nettoyage périodique), température de service limitée
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