Comment choisir et utiliser les détecteurs de niveau de liquide à flotteur dans les applications industrielles

Les concepteurs utilisent des détecteurs de niveau de liquide, également appelés commutateurs de niveau ou capteurs à flotteur, dans des domaines stratégiques pour assurer le fonctionnement sûr et efficace des systèmes dans une gamme croissante d'applications industrielles allant du chauffage, de la ventilation et de la climatisation (CVC) au traitement de l'eau et des eaux usées, en passant par les systèmes de traitement chimique et pétrochimique et la production d'aliments et de boissons. S'il est possible de concevoir des détecteurs de niveau de liquide de toutes pièces pour répondre aux exigences croissantes des applications en termes de précision, de rendement énergétique et de robustesse, cela peut rapidement se transformer en processus complexe, long et finalement coûteux, car les concepteurs doivent faire le tri entre les options de technologie de détection, le conditionnement, les interfaces et les exigences réglementaires.

Au lieu de cela, les concepteurs peuvent utiliser des solutions prêtes à l'emploi avec une détection basée sur un commutateur à lames, lesquelles sont livrées complètes et utilisables immédiatement, avec une certification réglementaire pour UL et IP65 déjà acquise. De plus, parce qu'elles utilisent la technologie des commutateurs à lames, elles sont souvent conçues pour plus de 10 millions de cycles, peuvent gérer des charges de haute puissance avec une faible résistance de contact pour un rendement accru, et affichent une consommation électrique nulle.

Cet article passe en revue les principaux éléments de conception à prendre en compte lors du choix d'un commutateur de niveau à flotteur. Il aborde ensuite les avantages de l'utilisation de la technologie des commutateurs à lames avant de présenter plusieurs solutions de détecteurs de niveau de liquide/capteurs à flotteur de TE Connectivity (TE) et leur mode d'application.

Sélection d'un détecteur de niveau de liquide à flotteur

Les commutateurs de niveau à flotteur sont utilisés à diverses fins, notamment pour fournir des alarmes lorsque les niveaux de liquide augmentent ou diminuent à des niveaux potentiellement dangereux, pour aider à protéger les équipements contre la surchauffe, pour maintenir des ratios appropriés de matériaux à mélanger et pour réduire le risque d'incendie. La sélection d'un commutateur de niveau à flotteur pour une application spécifique nécessite une compréhension claire des conditions de conception et des exigences concernant les points suivants :

• Quel est le liquide et quelles sont sa température et sa pression ?
• L'application nécessite-t-elle un commutateur normalement ouvert (N.O.) ou normalement fermé (N.C.) ?
• Faut-il une commutation unipolaire unidirectionnelle (SPST) ou unipolaire bidirectionnelle (SPDT) ?
• Quelle orientation est nécessaire pour le commutateur : horizontale depuis le côté, à montage vers le haut ou vers le bas ?
• Un indicateur de situation de niveau unique tel que « plein », « partiellement plein » ou « vide » est-il suffisant, ou faut-il surveiller plusieurs niveaux de liquide ?

Le liquide et son état sont des éléments importants à prendre en compte ; différents matériaux de corps de commutateur sont adaptés à différents besoins d'application. Les applications exigeantes telles que l'eau, les carburants et les huiles à haute température peuvent nécessiter un boîtier en polyphénylène sulfure chargé de fibres de verre pouvant atteindre +130 degrés Celsius (°C) et une pression de 4,7 bars.

Les commutateurs de niveau verticaux peuvent avoir des corps allant jusqu'à un mètre de long et utiliser des matériaux rigides tels que divers plastiques, le laiton ou l'acier inoxydable. Les applications moins exigeantes, telles que les réservoirs d'eau, peuvent utiliser des corps en acétal et en polypropylène expansé relativement peu coûteux, dont la température peut atteindre +60°C et 0,34 bar. En plus de l'utilisation du matériau approprié pour le corps du commutateur, la sélection de la technologie de commutation est un élément important lors de la spécification des détecteurs de niveau de liquide.

Avantages de la technologie des commutateurs à lames

Les commutateurs à lames constituent une technologie mature et fiable. Les commutateurs de niveau à flotteur utilisant la technologie des commutateurs à lames sont des dispositifs passifs qui ne nécessitent aucune source d'alimentation externe pour fonctionner. L'action de commutation de ces capteurs est initiée par l'interaction d'un aimant permanent dans le flotteur avec le commutateur à lames fixe.

Ces capteurs utilisent un flotteur mobile avec un aimant intégré pour activer un ou plusieurs commutateurs à lames dans le corps du capteur (Figure 1). L'aimant se déplace (flotte) du bas vers le haut du commutateur lorsque le niveau du liquide monte et descend lorsque le niveau du liquide baisse. Lorsque l'aimant se rapproche ou s'éloigne du commutateur à lames, il s'allume ou s'éteint, selon la configuration.

Figure 1 : Le flotteur monte et descend le long de la tige (à gauche) lorsque le niveau du liquide monte et descend. La tige contient le commutateur à lames fixe (au centre), et lorsque l'aimant du flotteur (à droite) s'approche, l'interrupteur s'ouvre ou se ferme en fonction de sa conception. (Source de l'image : TE Connectivity)

La fiabilité de ces capteurs résulte de plusieurs facteurs : ils ne comportent qu'une seule pièce mobile, ils sont construits avec des matériaux compatibles avec les liquides et ils sont dotés d'un commutateur à lames hermétiquement scellé avec des points de contact en ruthénium prévus pour plus de 10 millions de cycles de commutation.

Les commutateurs à lames peuvent fonctionner de manière fiable dans des environnements à haute température. Ils présentent un niveau d'isolation élevé lorsque le commutateur est éteint, avec une consommation de courant inférieure à celle des technologies de commutateurs statiques. Le respect des exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) avec les commutateurs à lames est simplifié et seuls des essais minimaux sont nécessaires.

Détecteurs de niveau de liquide basés sur des commutateurs à lames

Les concepteurs peuvent se tourner vers les détecteurs de niveau de liquide de TE afin de bénéficier des avantages de la technologie des commutateurs à lames. TE permet aux concepteurs de choisir parmi près de 20 commutateurs de niveau verticaux et horizontaux, disponibles en six versions et fabriqués à partir d'une large gamme de matériaux avec diverses options de commutation, de raccord et de câble (Figure 2).

Figure 2 : Les détecteurs de niveau de liquide à flotteur de TE Connectivity sont disponibles dans une variété de configurations, notamment le montage vertical et le montage latéral, jusqu'à un angle de 90°, et des raccords de montage universels. (Source de l'image : TE Connectivity)

Les commutateurs de niveau de TE sont prévus pour fonctionner jusqu'à 250 volts en courant alternatif (CA) ou 200 volts en courant continu (CC). Ils sont certifiés ISO/TS 16949 pour l'industrie automobile et ISO (Organisation internationale de normalisation) pour les applications industrielles. Certains modèles sont homologués UL et WRAS (Water Regulations Advisory Scheme) au Royaume-Uni. Ils sont prévus pour plus de 10 millions de cycles de commutation et sont conçus pour une installation et une maintenance sur site faciles. Si l'un de ces commutateurs est endommagé, il peut être facilement remplacé.

TE propose des détecteurs de niveau de liquide qui détectent quand un réservoir est plein, vide ou partiellement rempli, et certains modèles peuvent mesurer plusieurs niveaux de liquide. Des dispositifs tels que le détecteur de niveau vertical VS801-51 avec corps en polypropylène chargé de fibres de verre sont conçus pour être utilisés dans l'eau, sont disponibles avec des commutateurs N.O. ou N.C., et des configurations SPST ou SPDT. Le VCS-06, fabriqué en nylon 6.6 chargé de fibres de verre, est disponible avec des commutateurs N.O. ou N.C. dans une configuration SPST (Figure 3). Les deux capteurs sont disponibles pour des applications impliquant de l'eau bouillante et des carburants, certains modèles pouvant fonctionner jusqu'à +130°C et 4 bars de pression.

Figure 3 : Le détecteur de niveau série VCS-06 peut être monté en haut ou en bas d'un réservoir de stockage de liquide, et le flotteur peut être orienté de manière à fournir un contact N.O. ou N.C. (Source de l'image : TE Connectivity)

Pour les applications qui doivent mesurer un seul niveau de liquide (entre « plein » et « vide »), les concepteurs peuvent utiliser des commutateurs de niveau horizontaux. Voici quelques exemples approuvés par UL :

• Dispositif LS309-32, fabriqué en nylon 6.6 chargé de fibres de verre et destiné à être utilisé dans l'huile, le carburant et les liquides non ioniques. Il est doté d'une configuration SPST, d'une amplitude d'activation standard de 40,4 millimètres (mm) et est prévu pour 200 volts CC ou 250 volts CA, avec des charges allant jusqu'à 70 watts (W) (Figure 4).
• Dispositif LCS-03, avec un logement en acétal/polypropylène et un flotteur en polypropylène expansé. Il est conçu pour être utilisé dans les applications de traitement de l'eau et des eaux usées où l'espace est limité. Il est doté d'une amplitude courte horizontale et compacte (35,5 mm), et d'un câble ou d'un connecteur intégré. De type N.C. lorsque le flotteur est horizontal, il est prévu pour 48 volts CC jusqu'à 40 W.
• Dispositif LDS309-11N, avec un logement et un flotteur en nylon 6.6 chargé de fibres de verre et destiné à être utilisé dans l'huile, le carburant et les liquides non ioniques avec des pressions allant jusqu'à 4,7 bars. Il est capable de détecter de faibles variations du niveau de liquide avec une course différentielle étroite de 8,65 mm entre l'actionnement et le déclenchement. Ce dispositif utilise une commutation SPST et est conçu pour des charges allant jusqu'à 70 W et des tensions atteignant 200 volts CC ou 250 volts CA.

Figure 4 : Le commutateur de niveau horizontal LCS309-32 présente une amplitude d'activation standard de 40,4 mm et est conçu pour être utilisé dans l'huile, le carburant et les liquides non ioniques. (Source de l'image : TE Connectivity)

Lorsqu'une seule mesure de niveau est insuffisante, les concepteurs peuvent se tourner vers des commutateurs à portée étendue, qui peuvent mesurer jusqu'à un mètre de long. Par exemple, le dispositif EVS312-51N utilise deux commutateurs pour fournir une indication de trois situations de niveau différentes (Figure 5). Le commutateur haut est un dispositif N.C., le commutateur bas un dispositif N.O.

Figure 5 : Les commutateurs à portée étendue tels que le dispositif EVS312-51N utilisent deux commutateurs pour fournir une indication de trois situations de niveau différentes. (Source de l'image : TE Connectivity)

Lorsque le flotteur se trouve à la limite supérieure, les deux commutateurs sont ouverts ; lorsqu'il se trouve à la limite inférieure, les deux commutateurs sont fermés ; et lorsqu'il se trouve entre les limites supérieure et inférieure, le commutateur haut est fermé et le commutateur bas est ouvert (Tableau 1).

Tableau 1 : Le commutateur haut et le commutateur bas du dispositif EVS312-51N peuvent être utilisés pour indiquer trois situations de niveau différentes. (Source de l'image : TE Connectivity)

Le dispositif EVS312-51N est constitué d'un corps en nylon 6.6 et d'un flotteur en nylon 6.6 chargé de fibres de verre ; il est conçu pour fonctionner à 175 volts CC ou 125 volts CA, avec une charge jusqu'à 5 W. Il est proposé en configurations de montage interne et externe.

Conclusion

Les détecteurs de niveau de liquide basés sur des commutateurs à lames offrent aux concepteurs un choix fiable et durable pour les applications difficiles et exigeantes. Ces commutateurs sont disponibles dans une variété de configurations pour détecter quand un réservoir de liquide est plein ou vide, ou quand le liquide a atteint un niveau prédéterminé entre les limites inférieure et supérieure. Certains peuvent mesurer plusieurs niveaux de liquide. En outre, ils ne nécessitent aucune source d'alimentation externe et peuvent facilement répondre aux exigences de la CEM.

Lectures recommandées :

1. Sélection de matériaux pour les détecteurs de niveau de liquide