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Les détecteurs ultrasoniques spécifiques, des produits qui deviennent la norme

Les détecteurs ultrasoniques industriels destinés à l'automatisation sont disponibles sur le marché depuis une trentaine d'années. Ils étaient à l'origine encombrants et coûteux, ont fait leur apparition dans certains domaines d'application spécifiques, mais on en trouve aujourd'hui dans presque tous les domaines. Au fil de leur évolution technologique, les détecteurs ultrasoniques sont devenus beaucoup plus compacts et performants, plus économiques, et cette évolution est loin d'être terminée. Ils annoncent une toute nouvelle gamme d'applications industrielles.


Tâches de détection

Un détecteur est un composant technique qui peut enregistrer des propriétés physiques ou chimiques en termes qualitatifs ou quantitatifs. Dans le secteur de la technologie d'automatisation, les détecteurs utilisent des signaux pour indiquer le statut d'une machine ou d'une usine, qui servent aussi de variables d'entrée pour l'appareil de contrôle. Les détecteurs se caractérisent surtout par leurs principes physiques de fonctionnement : les détecteurs inductifs réagissent aux changements dans un champ électromagnétique, tandis que les détecteurs optoélectroniques réagissent aux changements des ondes lumineuses. Les détecteurs ultrasoniques fonctionnent dans les milieux de transmissions (gaz, fluide, matériaux solides) à l'aide des ondes sonores. Ils sont surtout utilisés dans l'automatisation de la production pour mesurer la durée de fonctionnement ou l'amplitude des impulsions du son dans l'air. Avec la procédure très courante de la mesure du temps de vol, le détecteur émet un train d'impulsions ultrasoniques et mesure le temps écoulé jusqu'à la réception d'un écho (Figure 1). Un seul transducteur ultrasonique fonctionnant comme émetteur et récepteur est généralement utilisé dans ce cas. La distance entre le détecteur et l'objet qui génère l'écho est alors calculée avec la formule . (c : vitesse du son, t : temps mesuré). En outre, il existe également des détecteurs de transmission et de réception, qui comprennent des transducteurs individuels qui sont soit situés dans le même boîtier, soit branchés séparément pour permettre l'intégration des détecteurs standard et des détecteurs en mode barrage.



Fig. 1 : pour mesurer le temps de vol, le détecteur émet un train d'impulsions ultrasoniques et mesure le temps qui s'écoule jusqu'à la réception de l'écho. Cette méthode est utilisée pour calculer la distance entre l'objet et le détecteur.

Transducteurs ultrasoniques

Le composant principal d'un détecteur ultrasonique est le transducteur. Aujourd'hui, des transducteurs durables solides sont utilisés dans la plupart des applications et se composent principalement d'une combinaison de céramiques piézo-électriques pour créer une vibration mécanique et une couche d'adaptation acoustique. Cette couche d'adaptation est nécessaire pour que les impédances extrêmement différentes des céramiques piézo-électriques et de l'air s'adaptent l'une à l'autre. Pour obtenir le meilleur accord, l'impédance acoustique doit être égale à . (ZK : impédance acoustique de la céramique piézo-électrique ; ZL : impédance acoustique de l'air ; Z = ρ * cM et ρ : densité de la substance ; cM : vitesse sonique de la substance). Sans ces mesures, seule une petite fraction de l'énergie sonore serait libérée dans l'air (au cours de l'émission) ou recueillie (en mode réception), ce qui diminuerait considérablement les plages de détection. En plus de s'adapter parfaitement aux conditions acoustiques, le détecteur doit se caractériser par un degré élevé de stabilité mécanique, une forte résistance aux produits chimiques, une large plage de températures, une bonne isolation acoustique par rapport au boîtier du détecteur, et surtout un faible coût. Le succès des détecteurs Pepperl+Fuchsl s'explique en grande partie par l'expertise sur la pénétration physique théorique et sur les méthodes de production pratiques. L'évolution technique la plus récente consiste en un transducteur recouvert d'une membrane en acier inoxydable qui permet la production de détecteurs ultrasoniques hermétiquement clos pour la mesure de distance.


Fonctionnement

L'éclatement d'un train ou une seule impulsion permet d'atteindre la fréquence de résonance requise en mode transmission en appliquant des tensions pouvant atteindre plusieurs centaines de volts afin de stimuler électriquement le transducteur ultrasonique décrit. Le détecteur passe ensuite en mode réception, le transducteur servant alors de microphone. Le signal de réception avec une magnitude de quelques millivolts est amplifié, démodulé, et transmis à un détecteur à seuil. La distance qui sépare le détecteur de l'objet est alors calculée à partir de la durée de l'impulsion sonique. Comme le même transducteur est utilisé pour les émetteurs et les récepteurs, une zone morte, où toute détection est impossible, se trouve directement face au détecteur. Différentes mesures de matériels et de logiciels peuvent réduire considérablement la taille de cette zone morte et accroître l'immunité aux interférences.

Comme la vitesse du son dans l'air calculée avec la formule (c0 : vitesse du son à0 °C(331,5 m/s), T : température en Kelvin, T0 : température absolue à0 °C(273,15 K) dépend fortement de la température, une température de fonctionnement de100 Kprovoque un changement d'environ 18 %. Le détecteur mesure la température et compense afin de supprimer les interférences plus efficacement. La précision de la mesure est supérieure à0,02de la valeur finale à atteindre sur toute la plage de températures.

Les fréquences ultrasoniques utilisées se trouvent dans une plage comprise entre40 kHzet presque1 MHz :en raison de la hausse extrême de l'atténuation à fortes fréquences, seules des plages courtes sont possibles. Les plages de détection des détecteurs s'étendent de100 mmet10 m. Les détecteurs ultrasoniques sont relativement lents, notamment sur de longs trajets de mesure, car la vitesse du son est 1 000 fois inférieure à celle de la lumière. Lorsque l'objet est à une distance de10 m, le temps de trajet du son est d'environ60 ms, ce qui convient amplement pour de nombreuses applications.

En plus de la fonction clé des transducteurs ultrasoniques mentionnés, la conception du matériel et, surtout, le traitement des signaux par le microcontrôleur à l'intérieur du détecteur sont des caractéristiques de performances décisives. Au lieu d'installer de simples contrôleurs 8 bits qui proposent uniquement des fonctions très rudimentaires, de puissants contrôleurs 32 bits sont aujourd'hui installés de série ; ils reproduisent les algorithmes complexes en temps réel, sont moins encombrants et permettent de réduire les coûts. Entre autres exemples, on trouve la largeur du lobe sonore ajustable et la possibilité d'obtenir de parfaits résultats de mesure dans des conditions difficiles en mesurant les amplitudes des échos (en plus des temps de trajet). Les possibilités dépassent les perspectives actuelles et sont loin d'être intégralement exploitées.


Caractéristiques et atouts de l'application

Les détecteurs ultrasoniques sont beaucoup plus résistants aux salissures et à l'humidité que les détecteurs optoélectroniques. Les dommages mineurs à la surface du transducteur ne sont pas d'une importance critique en raison du caractère global de l'appareil. En outre, la couleur ou le degré de transparence des objets détectés n'ont bien entendu aucune influence. La longévité des détecteurs ultrasoniques est comparable à celle des détecteurs inductifs, mais leur plage de détection est cent fois supérieure. Il existe également des similitudes entre les conceptions. Les petits détecteurs ultrasoniques cylindriques, d'une taille M12, et les modèles parallélépipédiques dans des boîtiers de détecteurs optoélectroniques ou de détecteurs de proximité caractéristiques sont aujourd'hui de série. En outre, il existe des versions qui sont adaptées à des exigences spécifiques, comme la mesure de niveaux de remplissage.

Les détecteurs dotés de sorties de commutation numériques ou d'une interface analogique 4-20 mA sont monnaie courante. Cependant, il existe aussi des détecteurs qui fonctionnent à une puissance de253 Vcaavec une sortie relais. La plupart des détecteurs peuvent être programmés ou paramétrés par le biais d'une interface et donc adaptés à l'application concernée. Le nouveau standard industriel IO-Link a été récemment mis en œuvre.



Fig. 2 : présentation du détecteur ultrasonique

Applications

Les détecteurs ultrasoniques ont des applications dans presque tous les secteurs utilisant des processus automatisés : industrie de l'impression pour superviser le niveau de l'encre dans les conteneurs ou pour le contrôle de présence, centrale mobile et machines agricoles pour mesurer les distances, les positions et les niveaux de remplissage, manutention, industrie du conditionnement, et technologies de montage et manutention. Les détecteurs de double feuille ultrasoniques utilisés dans les imprimantes, les scanners, les distributeurs automatiques de billets et des machines similaires gagnent en popularité, car ils empêchent l'insertion simultanée de plusieurs feuilles. Ils ne mesurent pas les temps d'exécution, mais plutôt l'atténuation de l'amplitude à travers les objets. Cette technologie a été évoquée en détail dans l'édition de mai 2010 d'ATP.


Fig. 3 : les détecteurs ultrasoniques sont utilisés dans de nombreux secteurs, comme l'imprimerie, les installations mobiles, la manutention, l'industrie du conditionnement, ou les technologies de montage et de manutention.

Sommaire

Les détecteurs ultrasoniques modernes constituent une solution intéressante par rapport à d'autres types de détecteurs dans d'innombrables domaines d'applications, notamment lorsque ces détecteurs atteignent leurs limites physiques ou permettent uniquement la mise en œuvre d'un système automatisé. En raison de la forte tendance à la miniaturisation observée récemment, les détecteurs peuvent être intégrés dans presque toutes les machines. La forte amélioration des performances des microcontrôleurs pour générer des algorithmes complexes a permis la mise en œuvre d'applications extrêmement exigeantes, ce qui aurait été inconcevable il y a quelques années. La mise en œuvre du paramétrage intelligent IO-Link et de l'interface du processus facilite encore davantage la manutention des détecteurs et l'intégration dans le système de commande de la machine.

Maintenant disponible : Guide technique sur les détecteurs ultrasoniques