Bien choisir un détecteur de niveau

Il existe plusieurs technologies de détecteurs de niveau, on retrouve certaines de ces technologies dans les capteurs de niveau. Les technologies disponibles sont plus ou moins adaptées en fonction du type de produit dont on veut connaître le niveau, que ce soit un liquide, un produit pâteux ou un solide en vrac.

Les principales technologies de détecteurs de niveau sont :

Détecteur de niveau à flotteur : un flotteur suit les mouvements de la surface d’un liquide et déclenche un commutateur.

Détecteur de niveau capacitif : le détecteur forme avec le réservoir un condensateur électrique dont la capacité change quand le niveau atteint le détecteur.

Détecteur de niveau conductif : lorsqu’un liquide conducteur entre en contact avec les électrodes du détecteur, le courant peut passer et déclenche la commutation.

Détecteur de niveau à lames / tige vibrante : une tige ou des lames vibrent à leur fréquence de résonance, lorsque le produit les atteint, les vibrations sont amorties et le détecteur commute.

Détecteur de niveau à palette rotative : un moteur fait tourner une palette, lorsque le produit atteint la palette, la rotation est arrêtée et le détecteur commute. 

Détecteur de niveau optoélectronique : la lumière issue d’une LED infrarouge est réfléchie vers un récepteur par un prisme, quand le niveau de liquide atteint le prisme le faisceau n’est plus réfléchi mais réfracté dans le liquide, le détecteur commute.

Les détecteurs de niveau à flotteur reposent sur un principe simple : l’association d’un flotteur et d’un dispositif de commutation mécanique ou magnétique (commutateurs Reed). Par nature un flotteur placé dans un liquide tend à rester à la surface, c’est l’effet que l’on exploite ici en détectant les déplacements d’un flotteur lorsque la surface du liquide atteint sa hauteur dans le réservoir.

Il existe 3 principaux types de détecteurs de niveau à flotteur :

• Le type à flotteur « suspendu » qui est constitué simplement d’un flotteur qui pend au bout de son câble. Le dispositif de commutation (en général mécanique) est placé à l’intérieur du flotteur. Lorsque la surface du liquide atteint le flotteur, celui-ci remonte puis bascule, ce qui déclenche le changement d’état du dispositif de commutation. C’est une technologie simple mais peu précise, très utilisée dans les pompes comme sécurité anti-marche à vide.
• Le type à montage vertical dont le flotteur coulisse le long d’un axe vertical. Ce type de capteur utilise un commutateur magnétique (Reed) intégré dans l’axe, le flotteur étant équipé d’un aimant, le détecteur change d’état lorsque le liquide fait remonter le flotteur au niveau du commutateur Reed.
• Le type à montage horizontal constitué d’un flotteur fixé au bout d’un axe articulé horizontal. La montée du flotteur sous l’effet du liquide provoque un changement d’inclinaison de l’axe articulé qui déclenche le dispositif de commutation du détecteur.

Avantages :

• Les détecteurs de niveau à flotteur sont adaptés à tous les liquides sous réserve de compatibilité des matériaux du détecteur avec le liquide (en plastique pour les acides, en acier inox pour l’eau et les huiles, etc.) ;
• Ils sont fiables, économiques et simples d’utilisation ;
• Ils ne nécessitent pas d’étalonnage ;
• Les détecteurs de niveau à flotteur fonctionnent indépendamment de la nature du liquide, de sa conductivité électrique, des conditions de pression et de température dans le réservoir, de la présence de vapeurs, de mousse ou d’ébullition à la surface, par contre ils sont sensibles au phénomène de vague.

Les détecteurs de niveau capacitifs sont basés sur les propriétés des condensateurs électriques. Le détecteur et les parois du réservoir forment les deux électrodes d’un condensateur, dont la capacité (la capacité électrique exprimée en Farad) dépend de la hauteur du produit dans le réservoir.

Les variations de hauteur de niveau entraînent des variations de la capacité qui sont converties en signal de commutation par l’électronique intégrée du capteur.

Avantages :

• Technologie très robuste et fiable ;
• Pas de maintenance nécessaire ;
• Technologie économique ;
• Montage des détecteurs dans n’importe quelle position ;
• Fonctionne avec les liquides et les solides, qu’ils soient conducteurs ou non-conducteurs, ne craint pas les produits visqueux ou colmatants ;
• Technologie résistante aux températures et pression de fonctionnement élevées.

Les détecteurs de niveau conductifs sont utilisés exclusivement avec des liquides conducteurs. Dans leur configuration de base, ils sont constitués de deux électrodes séparées par un espace et formant un circuit électrique ouvert (le courant ne peut pas passer entre les deux électrodes). Lorsque le niveau du liquide atteint les électrodes, le liquide conducteur ferme le circuit électrique et un courant passe entre les électrodes, l’électronique du détecteur convertit le passage du courant en signal de commutation.

Cette technologie ne fonctionne donc qu’avec des liquides conducteurs comme les acides, lessives et solutions contenant de l’eau, par contre les hydrocarbures, les huiles et les solvants, généralement très peu conducteurs, ne sont pas compatibles avec cette technologie.

Ces détecteurs peuvent être utilisés avec des liquides agressifs s’ils sont fabriqués dans des matériaux adaptés à ces liquides.

Avantages :

• Simple, robuste et économique ;
• Multiples possibilités de montage et d’installation ;
• Pas d’étalonnage nécessaire ;
• Possibilité d’avoir plusieurs points de commutation en choisissant un détecteur avec plusieurs électrodes.

Les détecteurs de niveau à lames vibrantes et les détecteurs de niveau à tige vibrante sont basés sur le même principe : une tige ou une paire de lames sont mises en vibration à leur fréquence de résonance (en général par un système piézoélectrique). Lorsque le niveau du produit atteint la tige ou la paire de lames, les vibrations sont amorties par la présence de matière autour de l’élément sensible.

L’électronique du détecteur analyse l’amplitude et la fréquence des vibrations et convertit les variations dues à l’amortissement par le produit en un signal de commutation.

Cette technologie n’est pas sensible à la nature ou aux propriétés du produit dans le réservoir, elle peut être utilisée avec des liquides, des solides granuleux et pulvérulents à grains fins ou grossiers. Autre intérêt, ces détecteurs peuvent être utilisés en zone explosive, ils sont donc très intéressants dans le stockage des matières premières, l’industrie chimique et l’agroalimentaire.

Avantages :

• Insensible au produit et à ses propriétés (conductivité, viscosité et granulométrie), aux conditions de fonctionnement (température, pression), aux turbulences, à la mousse, aux vibrations et au colmatage ;
• Résistant à l’abrasion ;
• Simple à monter et opérationnel sans étalonnage ;
• Autosurveillance ;
• Pas d’usure, pas de maintenance.

Le principe des détecteurs de niveau à palette rotative est basé sur un moteur électrique qui fait tourner à faible vitesse, via une transmission, un axe équipé d’une ou plusieurs palettes.

Ce type de détecteur est utilisé dans les silos, bacs, trémies pour détecter des niveaux haut et bas de solides en vrac. Lorsque le niveau du produit atteint les palettes, la matière freine la rotation et stoppe le moteur, ce qui déclenche le signal de commutation du détecteur. 

Les détecteurs de niveau à palettes rotatives sont très utilisés dans les silos de céréales, sucre, cacao, aliments pour animaux, lessive, craie, plâtre, ciment, copeaux de bois, etc.

Avantages :

• Principe de mesure pour des applications simples ;
• Technologie robuste ;
• Pas besoin d’étalonnage.

Le fonctionnement des détecteurs de niveau optoélectroniques est basé sur une LED infrarouge et un photorécepteur. La lumière de la LED est envoyée vers un prisme en verre formant une pointe qui constitue la sonde du détecteur. Tant que ce prisme est entouré de gaz, la lumière est réfléchie par le prisme vers le récepteur. Lorsque le niveau du liquide atteint le prisme, le rayon de lumière est réfracté dans le liquide et le récepteur enregistre une baisse de l’intensité lumineuse reçue, ce qui déclenche la commutation du détecteur.

Ces détecteurs fonctionnent avec tous les liquides, la mesure est indépendante des caractéristiques physiques des liquides telles que la densité, la constante diélectrique, la conductivité et l’indice de réfraction ou la couleur.

Ces détecteurs sont robustes, ils utilisent des matériaux résistants (inox pour le boîtier, verre borosilicate ou quartz pour le prisme), ils n’ont aucune pièce mobile et techniquement seule la pointe en verre du prisme a besoin d’être en contact avec le liquide. On peut donc avoir des détecteurs extrêmement compacts, avec une empreinte minimum dans le réservoir et une possibilité de fonctionner avec des petits volumes de produit.

Avantages :

• Détection indépendante des caractéristiques du liquide (densité, constante diélectrique, conductivité, couleur et indice de réfraction) ;
• Cette méthode fonctionne aussi sur de petits volumes ;
• Pas besoin d’étalonnage ;
• Certains modèles peuvent être utilisés en environnement dangereux.

Pour choisir un détecteur de niveau il faut commencer par déterminer quelle technologie employer en fonction du produit à mesurer (liquide, produit pâteux ou solide en vrac), des propriétés du produit (électroconducteur ou pas, agressif, abrasif, etc.) et de la présence de mousse ou de turbulences à la surface.

Une fois la technologie choisie, il faut choisir un détecteur capable de résister aux conditions de fonctionnement du process (pression, température) et dont les matériaux soient compatibles avec le produit.

Le montage est un autre critère essentiel : les détecteurs peuvent être verticaux ou horizontaux, filetés ou équipés d’une bride, plus ou moins compacts.

Enfin, le signal de sortie du détecteur de niveau est un autre élément à prendre en considération. Il existe différents signaux de commutation : contact sec, transistor NPN ou PNP.