Nouvelles options de capteurs IP69K pour les chaînes de transformation des produits alimentaires et pharmaceutiques

La désinfection est obligatoire dans la transformation des produits alimentaires et pharmaceutiques. Comme pour toutes les opérations de l'Industrie 4.0, ces chaînes de transformation requièrent des niveaux élevés d'automatisation soutenus par de nombreux capteurs.

Cela implique d'utiliser des capteurs renforcés sur le plan environnemental et dotés d'un indice protection (IP) 69K, capables de résister aux lavages à haute pression et aux procédures de nettoyage en place (Clean in Place, CIP) de routine afin de maintenir un environnement opérationnel hygiénique tout en garantissant un fonctionnement efficace.

Outre l'indice IP69K, les capteurs destinés à ces applications doivent souvent être fabriqués à partir de matériaux conformes aux exigences de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis, comme l'alliage d'acier inoxydable SAE 360 L qui est hautement résistant à la corrosion et peut supporter les procédures CIP de routine. Dans d'autres applications, un boîtier en plastique de qualité FDA convient.

Cet article débute par une vue d'ensemble des exigences de l'indice IP69K telles que définies dans la norme DIN 40050-9. Il passe en revue les performances de divers aciers inoxydables FDA, notamment les séries SAE 200, 300 et 400, et examine les plastiques de qualité FDA disponibles et les cas dans lesquels ils peuvent être utilisés.

Il présente ensuite plusieurs nouveaux capteurs de Banner Engineering adaptés à une utilisation dans les chaînes de transformation des produits alimentaires et pharmaceutiques, ainsi que quelques suggestions d'application et d'installation. L'article se termine par l'examen d'une application de capsulage de bouteilles qui nécessite des performances de capteur IP69K mais pas un boîtier fabriqué avec un matériau approuvé par la FDA.

Les capteurs IP69K sont-ils également répertoriés IP68 ?

Un capteur peut être conçu pour répondre aux deux normes. Le « 6 » dans ces indices IP signifie que ces dispositifs sont étanches à la poussière et que celle-ci ne peut donc pas y pénétrer.

Toutefois, la conformité à la norme IP69K ne signifie pas automatiquement que le capteur satisfait aux exigences de la norme IP68. La norme 40050-9 de la Commission électrotechnique internationale (CEI) est basée sur une norme allemande qui étend le système d'indice de protection IP CEI 60529 pour ajouter IP69K pour les applications de lavage à haute pression et à haute température qui divergent quelque peu des autres indices de protection IP.

L'indice de protection contre l'infiltration d'eau IP68 est basé sur IP67. L'indice IP67 requiert une immersion temporaire dans l'eau jusqu'à un mètre de profondeur pendant au moins 30 minutes. L'indice IP68 implique également l'immersion dans l'eau avec des conditions de test convenues entre le fabricant du dispositif et l'utilisateur, et il doit être plus rigoureux que l'indice IP67. Par exemple, les capteurs répertoriés IP68 de Banner Engineering peuvent supporter au moins 24 heures d'immersion continue dans deux mètres d'eau.

L'indice IP69K ne requiert pas d'immersion dans l'eau. Les tests pour IP69K incluent trois éléments :

• Capacité à pulvériser le dispositif avec de l'eau à +80°C à un débit de 14 à 16 litres par minute (L/min) et une pression de 10 MPa (1500 livres par pouce carré, psi)
• La buse de pulvérisation doit être maintenue à 10-15 cm du dispositif à des angles de 0°, +30°, +60° et +90° pendant 30 secondes chacun, pour un total de 120 secondes
• Le dispositif est tourné sur un plateau rotatif une fois toutes les 12 secondes

Les capteurs répertoriés IP69K de Banner Engineering sont en outre testés pour l'immersion dans au moins un mètre d'eau, une exigence qui dépasse les tests IP69K standard (Figure 1). Après le test, le capteur est inspecté pour vérifier qu'il n'y a pas d'eau à l'intérieur. Il ne doit pas y avoir d'eau à l'intérieur et le capteur doit continuer à fonctionner normalement pour que le test soit considéré comme réussi.

Figure 1 : Les capteurs répertoriés IP69K, comme celui-ci, peuvent résister à des lavages à haute pression et à haute température. (Source de l'image : Banner Engineering)

La corrosion a également son importance

Le système d'indice IP indique le degré de protection d'un boîtier contre la pénétration de particules solides et de liquides. Il ne prend pas en compte le fonctionnement en environnement corrosif. Les exigences de la FDA couvrent ce point.

La FDA réglemente les matériaux des boîtiers pour garantir qu'ils peuvent être utilisés en toute sécurité avec les produits alimentaires et pharmaceutiques. Par exemple, l'acier inoxydable de qualité alimentaire doit répondre aux exigences suivantes :

• Sa teneur en chrome doit être d'au moins 16 %. L'acier inoxydable résiste à la corrosion grâce à un film d'oxyde de chrome qui se régénère en présence d'oxygène.
• Il doit appartenir aux séries SAE 200, 300 ou 400 d'aciers inoxydables qui incluent respectivement les alliages chrome-nickel-manganèse, les alliages chrome-nickel et les alliages chrome.
• Sa surface doit être lisse et facile à nettoyer.
• Il doit résister à la piqûre, à l'écaillage, à la fissuration, à la rayure et à l'éraflure, et il doit être suffisamment épais pour supporter des lavages répétés à haute pression et à haute température.
• Il ne doit pas transmettre d'odeur, de goût ou de couleur aux aliments.

Pour une solution plus légère, l'aluminium anodisé est considéré comme « généralement reconnu comme sûr » par la FDA. Une manipulation et un traitement appropriés sont nécessaires lors de l'utilisation de l'aluminium.

Il existe une variété de plastiques approuvés par la FDA. Les caractéristiques communes incluent une résistance élevée à l'usure, à la flexion et aux variations dimensionnelles. Exemples :

• Le polycarbonate est un matériau léger, transparent et exceptionnellement résistant.
• Le polybutylène-téréphtalate (polyester PBT) présente une résistance, une rigidité et une stabilité dimensionnelle élevées. Il est résistant aux produits chimiques, à l'oxydation, à l'eau et à la chaleur jusqu'à 150°C.
• L'acrylique est un plastique transparent non toxique, approuvé pour la manutention. Il est également résistant à la chaleur et adapté à une utilisation en environnements difficiles.
• Le nylon possède des propriétés exceptionnelles de barrière contre l'oxygène et l'humidité. Il est utilisé pour protéger les composants de l'environnement extérieur.

Capteurs photoélectriques en acier inoxydable de qualité FDA

Les capteurs photoélectriques série Q4X de Banner Engineering offrent une plage de détection de 25 mm à 610 mm, selon le modèle. Par exemple, le modèle Q4XFKLAF310-Q8 a une plage de détection de 35 mm à 310 mm.

Le boîtier est en acier inoxydable 316 L de qualité FDA et est répertorié IP68 selon la norme CEI 60529 et IP69K selon la norme DIN 40050-9. Il est compatible avec les produits chimiques de nettoyage et de désinfection acides ou caustiques fréquemment utilisés dans le nettoyage et la désinfection des équipements, et il est certifié ECOLAB.

Lorsque le capteur est en mode de fonctionnement, l'écran à 4 chiffres et 7 segments affiche la mesure en cours ou la valeur de sortie analogique correspondante (Figure 2). Les fonctionnalités supplémentaires incluent :

• Modèles discrets, analogiques (0 V à 10 V ou 4 mA à 20 mA), objets transparents et IO-Link
• Modèles haute résolution avec sortie analogique et gain excédentaire plus élevé pour les applications plus difficiles
• Détection d'une grande variété de couleurs, de matériaux et de surfaces cibles en fonction de la distance
• Le mode d'apprentissage double (intensité + distance) peut être utilisé pour les applications de contrôle des erreurs et permet la détection d'objets transparents sans nécessiter de rétroréflecteur

Figure 2 : Ce photodétecteur répertorié IP69K et IP68 est fourni dans un boîtier en acier inoxydable de qualité FDA. (Source de l'image : Banner Engineering)

Accélérer la configuration et les changements

L'afficheur de capteur à distance (RSD) RSD1QP optionnel peut être utilisé avec la série Q4X et d'autres gammes de capteurs de Banner pour la configuration et la surveillance (Figure 3). Il permet d'accélérer les changements de produits dans les usines de l'Industrie 4.0 et peut rester connecté ou être retiré une fois la configuration terminée. Il simplifie également la surveillance des capteurs dans les endroits difficiles d'accès. Les autres utilisations de l'afficheur RSD incluent les suivantes :

• Copie des paramètres entre les capteurs
• Remplacement rapide des capteurs
• Capacité à stocker jusqu'à six configurations pour différentes opérations

Figure 3 : Le RSD1 peut être utilisé pour la configuration et la surveillance à distance de capteurs tels que ceux de la série Q4X de Banner. (Source de l'image : Banner Engineering)

Photodétecteurs en boîtiers en plastique

Le capteur T18-2VPRL-2M (T18-2) est un capteur photoélectrique autonome conçu pour être utilisé dans les environnements difficiles, tels que les chaînes de production alimentaire, l'abattage des volailles, la détection de boîtes et le déclenchement de stations de contrôle de poids.

Le boîtier est en polyester PBT noir et jaune, tandis que la fenêtre et les conduits de lumière sont en acrylique blanc translucide. Le boîtier en plastique est soudé par ultrasons pour garantir l'étanchéité complète, et les composants électroniques sont encapsulés dans une résine époxy répertoriée IP69K, offrant une étanchéité redondante (Figure 4). Ces capteurs sont également répertoriés IP68.

Figure 4 : Ce photodétecteur répertorié IP69K et IP68 est conditionné dans des plastiques approuvés par la FDA. (Source de l'image : Banner Engineering)

Capteurs radar IP69K en aluminium

Les capteurs radar tels que ceux de la série Q90R peuvent être utilisés dans des applications telles que la protection des personnes à proximité des machines, le travail avec des robots collaboratifs (cobots) ou les mesures de niveau des réservoirs dans les chaînes de transformation des produits alimentaires et pharmaceutiques. Le boîtier en aluminium répertorié IP69K est robuste et léger. Ces capteurs offrent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +65°C, ce qui permet de les utiliser dans des environnements difficiles, tels que les zones humides et brumeuses.

Par exemple, le modèle Q90R-4040-6KDQ a une portée de 150 mm à 20 m et dispose de deux sorties, une sortie PNP/NPN avec communication IO-Link et une sortie 1 PNP/NPN. Les paramètres de détection tels que la forme de la fenêtre et les points de consigne cibles peuvent être personnalisés pour tous les capteurs Q90R. IO-Link peut prendre en charge les transferts de données en temps réel.

La détection d'objet peut être basée sur la distance, la vitesse et la position angulaire par rapport au capteur, offrant des performances configurables et multidimensionnelles. Deux zones indépendantes peuvent détecter et mesurer plusieurs cibles simultanément (Figure 5).

Figure 5 : Ce capteur radar en boîtier aluminium peut être utilisé pour la surveillance du niveau des réservoirs dans les chaînes de transformation des produits alimentaires et pharmaceutiques. (Source de l'image : DigiKey)

Éclairage pour systèmes de vision

Les systèmes de vision pour les applications de contrôle qualité et d'inspection nécessitent un bon éclairage pour un fonctionnement optimal. Les barres lumineuses LED étanches BL60 de Banner fournissent un éclairage puissant et ciblé. Des modèles produisant quatre longueurs d'ondes visibles à haute intensité ainsi que des longueurs d'ondes infrarouges (IR) et deux longueurs d'ondes ultraviolettes (UV) sont disponibles. En sélectionnant l'option d'éclairage la mieux adaptée, les performances du système de vision peuvent encore être améliorées.

Les boîtiers en aluminium résistant à l'huile, aux produits chimiques et à l'eau sont répertoriés IP69K et disponibles en longueurs de 340 mm et 640 mm. Trois options de fenêtres sont disponibles : polycarbonate transparent ou diffusant et verre borosilicaté. Les dispositifs sont dotés d'un contrôle de gradation de 1 V à 10 V et d'une fonction stroboscopique à modulation de largeur d'impulsion (PWM) réglable. Exemples de couleurs de lumière disponibles pour les barres LED de 340 mm :

• Blanc lumière du jour (5000K), BL60W340L14ASQ
• Rouge, BL60R340L14ASQ
• Vert, BL60G340L14ASQ
• Bleu, BL60B340L14ASQ
• Infrarouge, BL60I340L14ASQ.
• Ultraviolet 365 nm, BL60UV365-340GL30ASQ
• Ultraviolet 395 nm, BL60UV395-340L30ASQ

Capteur laser en zinc nickelé IP69K pour capsulage de bouteilles

Toutes les applications de capteurs dans les chaînes de transformation de produits alimentaires et pharmaceutiques ne requièrent pas un matériau de boîtier approuvé par la FDA. Le capsulage des bouteilles est un bon exemple.

Les capsules de bouteilles sont souvent livrées en vrac et doivent être triées avant d'être utilisées sur la ligne de remplissage. Des capsules mal alignées, comme des capsules à l'envers, peuvent entraîner le décapsulage des bouteilles ou le blocage de la machine à capsuler, ce qui réduit la productivité. Un capteur laser tel que le Q3XTBLD-Q8 (Q3X) peut rapidement identifier les capsules orientées dans le mauvais sens avant qu'elles n'atteignent le système de distribution de capsules.

Le Q3X dispose d'une suppression d'arrière-plan de 100 mm, ce qui le rend parfaitement adapté aux applications de détection d'orientation. Grâce à la suppression d'arrière-plan fixe, les capteurs Q3X peuvent être configurés pour reconnaître une distance spécifique et ignorer tout ce qui se trouve en dehors du point de consigne.

Dans une application de tri de capsules de bouteilles, le Q3X peut être configuré pour détecter lorsque le haut d'une capsule est orienté vers le capteur. Si la capsule est tournée vers l'extérieur, elle est ignorée. Si elle est orientée vers le capteur, une sortie d'échec est envoyée et la capsule est rejetée. Elle peut être recyclée dans la trieuse de capsules pour une nouvelle tentative.

Le taux de détection rapide du Q3X est important dans les lignes de remplissage haute vitesse. Ce capteur peut détecter une pièce en seulement 250 µs et capturer jusqu'à 2000 événements par seconde. L'afficheur incliné à 3 chiffres fournit un retour d'informations à l'utilisateur et accélère la configuration et la mise en service. Le boîtier en zinc nickelé est répertorié IP67 et IP69K, ce qui le rend adapté aux environnements humides (Figure 6).

Figure 6 : Ce capteur laser répertorié IP69K est fourni en boîtier en zinc nickelé adapté aux processus de capsulage des bouteilles. (Source de l'image : Banner Engineering)

Conclusion

Des capteurs robustes, répertoriés IP69K et capables de résister aux opérations CIP à haute pression et haute température sont nécessaires dans les chaînes de transformation des produits alimentaires et pharmaceutiques. Bon nombre de ces capteurs sont également conçus pour répondre aux exigences IP68 en matière d'immersion dans l'eau. Dans la plupart des cas, ils doivent être conditionnés dans des matériaux approuvés par la FDA, mais il existe des exceptions comme les opérations de capsulage des bouteilles.