Applications de régulation de niveau

Une gamme de systèmes et méthodes de régulation de niveau est utilisée dans l’industrie. Les systèmes peuvent être basés sur l’utilisation de flotteurs, de sondes ou même de technologies plus sophistiquées. Ce tutoriel étudie l’utilisation de sondes pour fournir une régulation tout ou rien ajustable et non ajustable, et une régulation modulante des liquides. Les applications simples de régulation de débit sont également examinées.

La régulation des niveaux de liquide, par exemple dans une cuve de procédé, est une fonction importante. Un exemple serait une cuve d’eau chaude où l’eau est prélevée, peut-être pour le nettoyage, et le niveau doit être rétabli pour le prochain cycle de lavage. La régulation du niveau d’eau et les alarmes pour les chaudières à vapeur sont spécifiquement exclues de ce Module, et le lecteur est renvoyé au Bloc 3 (La chaufferie), qui traite du sujet en profondeur. De nombreux types différents de systèmes de régulation de niveau sont utilisés dans l’industrie, couvrant une large gamme de processus. Certains processus concerneront des médias autres que des liquides, tels que des poudres sèches et des matières premières chimiques. La gamme de médias est si large qu’aucun instrument unique n’est adapté à toutes les applications. De nombreux systèmes sont disponibles pour servir cette large gamme d’applications. La liste suivante n’est pas exhaustive mais, dans la plupart des cas, le signal de commande final sera utilisé pour actionner des pompes ou des vannes appropriées à l’application :Types à flotteur - un flotteur monte et descend selon le changement de niveau de liquide et actionne des commutateurs à des points prédéterminés de la plage.Types à sonde rigide - ceux-ci mesurent la conductivité ou la capacité et sont discutés plus en détail dans les pages suivantes.Types à câble d’acier capacitif - un câble d’acier flexible est suspendu dans le liquide, et le changement de capacité est mesuré par rapport au changement de niveau d’eau.Types ultrasoniques - une impulsion acoustique haute fréquence est dirigée depuis un transducteur vers la surface du milieu mesuré et, en connaissant la température et la vitesse du son dans l’air, le temps que prend l’impulsion pour rebondir vers le capteur est utilisé pour déterminer le niveau.Types radar à micro-ondes - similaire en principe au type ultrasonique mais utilisant de l’énergie électromagnétique haute fréquence au lieu de l’énergie acoustique.Types hydrostatiques - un transmetteur de pression est utilisé pour mesurer la différence de pression entre la pression hydrostatique confinée de la hauteur de liquide au-dessus du capteur et la pression atmosphérique extérieure. Les changements de pression sont convertis en un signal de sortie 4-20 mA relatif à la différence de hauteur.Types à pression différentielle - similaire au type hydrostatique mais utilisé lorsque l’application mesurée est soumise à une pression dynamique en plus de la pression statique. Ils sont capables de mesurer de petits changements de pression par rapport à la plage du signal de sortie. Les applications typiques pourraient être de mesurer le niveau d’eau dans un ballon de vapeur de chaudière, ou le niveau de condensat dans une poche de condensat d’un réchauffeur.Types magnétiques - un flotteur ou un cône peut monter et descendre le long d’une sonde en acier inoxydable maintenue dans le fluide de la cuve mesurée. Le flotteur peut interagir magnétiquement avec des commutateurs à l’extérieur de la cuve qui renvoient des informations au contrôleur.Types de torsion - un arbre de flotteur mobile produit un changement de torsion, mesuré par un transducteur de torsion. Il est important que le système de régulation de niveau soit correct pour l’application, et que des conseils d’experts soient demandés au fabricant avant la sélection. Il n’est pas dans la portée de ce Module de discuter des avantages et inconvénients et des applications potentielles de tous les types de régulation mentionnés ci-dessus, car les types de systèmes de régulation de niveau généralement employés dans la boucle vapeur et condensat et ses applications associées sont les types à flotteur et à sonde rigide. Le fonctionnement des types à flotteur est assez explicite, mais les sondes de conductivité et de capacité peuvent nécessiter une explication. En raison de cela, cette section se concentrera principalement sur les régulations de niveau par sondes de conductivité et de capacité.

Méthodes pour réaliser la régulation de niveau

Il existe trois méthodes principales pour réaliser la régulation de niveau :

Régulation de niveau tout ou rien non ajustable.
Régulation de niveau tout ou rien ajustable.
Régulation de niveau modulante. Régulation de niveau tout ou rien non ajustable (Figure 8.3.1) L’organe de commande final peut être une pompe qui est allumée/éteinte ou une vanne qui est ouverte/fermée. Deux types principaux de systèmes de régulation de niveau tout ou rien sont généralement rencontrés ; les types à flotteur et les types utilisant des sondes de conductivité. Les régulations de niveau à flotteur reposent soit sur le mouvement direct d’une vanne de régulation, soit sur des commutateurs électriques actionnés par un flotteur se déplaçant à la surface du liquide. Les sondes de conductivité (voir Figure 8.3.1) peuvent avoir plusieurs pointes de sonde ; les points de régulation étant situés là où les pointes séparées ont été coupées à différentes longueurs. Régulation de niveau tout ou rien ajustable (Figure 8.3.2) Là encore, l’organe de commande final peut être une pompe qui est allumée/éteinte ou une vanne qui est ouverte/fermée. Une méthode utilisée pour ajuster les points de régulation est celle d’une sonde de capacité (voir Figure 8.3.2). La sonde surveillera le niveau, avec des points de réglage ajustés par le contrôleur. Les sondes de capacité ne sont pas coupées à la longueur pour atteindre le niveau requis et, bien sûr, la longueur totale de la sonde doit être suffisante pour la plage de régulation complète. Régulation de niveau modulante (Figure 8.3.2) L’organe de commande final peut être une vanne qui est ajustée à un point entre entièrement ouverte et entièrement fermée, en fonction du niveau surveillé. La régulation de niveau modulante ne peut pas être réalisée avec une sonde de conductivité. Les sondes de capacité sont idéales à cet effet (voir Figure 8.3.2). Dans les systèmes de ce type, la pompe peut fonctionner en continu, et la vanne permettra à des quantités appropriées de liquide de passer. Alternativement, l’organe de commande final peut être un variateur de vitesse sur une pompe. La vitesse du variateur peut être ajustée sur une plage sélectionnée. Alarmes - sont souvent nécessaires pour avertir de :
Une alarme haute où il y a un risque de débordement de la cuve et de déversement de liquide chaud, avec le danger associé pour le personnel.
Une alarme basse où il y a un risque que le niveau d’eau de la cuve devienne trop bas, avec le potentiel d’endommager une pompe aspirant de la cuve, ou de manquer de liquide pour le procédé. Installation de flotteurs et sondes en conditions turbulentes Dans certaines cuves et récipients, des conditions turbulentes peuvent exister, ce qui peut entraîner des signaux erratiques et non représentatifs. Si de telles conditions sont susceptibles de (ou déjà) exister, il est recommandé d’installer les flotteurs ou sondes dans des tubes de protection. Ceux-ci ont un effet d’amortissement sur le niveau d’eau détecté. Le reste de ce Module s’intéresse aux sondes plutôt qu’aux flotteurs pour les applications de régulation de niveau.

Régulation de niveau tout ou rien non ajustable

Description

La régulation de niveau tout ou rien non ajustable utilise une sonde de conductivité connectée à un contrôleur électronique. La sonde a typiquement trois ou quatre pointes, chacune étant coupée à la longueur voulue lors de l’installation pour atteindre le niveau de commutation ou d’alarme requis (voir Figure 8.3.3).

Lorsque la pointe de la sonde est immergée dans le liquide, elle utilise la conductivité relativement élevée de l’eau pour compléter un circuit électrique via la métallurgie de la cuve et le contrôleur.
Lorsque le niveau d’eau descend en dessous de la pointe, la résistance du circuit augmente considérablement, indiquant au contrôleur que la pointe n’est pas immergée dans le liquide.
Dans le cas d’un simple système de « remplissage » avec régulation de niveau tout ou rien :
La vanne est ouverte lorsque le niveau d’eau de la cuve descend en dessous de l’extrémité d’une pointe.
La vanne est fermée lorsque le niveau d’eau monte au contact d’une autre pointe.
D’autres pointes peuvent être utilisées pour activer des alarmes basses ou hautes. Avantage : Une méthode simple mais précise et relativement peu coûteuse de régulation de niveau. Applications : Le système peut être utilisé pour des liquides avec des conductivités de 1 μS/cm ou plus, et convient aux cuves de condensat, aux cuves d’eau d’alimentation et aux bacs ou récipients de procédé. Lorsque la conductivité descend en dessous de ce niveau, il est recommandé d’utiliser des régulations de niveau basées sur la capacité. Point à noter : Si la cuve est construite en matériau non conducteur, le circuit électrique peut être réalisé via une autre pointe de sonde.

Régulation de niveau tout ou rien ajustable

Description Un système de régulation de niveau tout ou rien ajustable se compose d’un contrôleur et d’une sonde de capacité (voir Figure 8.3.4), et fournit :

Régulation vanne ouverte/fermée plus un point d’alarme.
Alternativement deux alarmes - haute et basse. Les niveaux auxquels la vanne fonctionne peuvent être ajustés via les fonctions du contrôleur. Avantage : La régulation de niveau tout ou rien ajustable permet de modifier les réglages de niveau sans arrêter le procédé. Inconvénient : Plus coûteux que la régulation tout ou rien non ajustable. Applications : Peut être utilisé pour la plupart des liquides, y compris ceux à faible conductivité. Point à noter : Peut être utilisé dans des situations où la surface du liquide est turbulente, et l’électronique intégrée peut être ajustée pour empêcher le cyclage rapide marche/arrêt de la pompe (ou vanne).

Régulation de niveau modulante

Description Un système de régulation de niveau modulante se compose d’une sonde de capacité et d’un contrôleur approprié, qui fournit un signal de sortie modulant, typiquement 4-20 mA. Référer à la Figure 8.3.5. Ce signal de sortie peut être utilisé pour affecter une variété de dispositifs incluant :

La modulation d’une vanne de régulation.
Le fonctionnement d’un variateur de vitesse de pompe. Avantage :

Parce que la sonde et le contrôleur ne fournissent qu’un signal auquel d’autres dispositifs répondent, plutôt que de fournir la puissance pour actionner un dispositif, il n’y a pas de limite à la taille de l’application.
Régulation stable du niveau dans la cuve. Inconvénient :
Plus coûteux qu’un système à sonde de conductivité.
Plus complexe qu’un système à sonde de conductivité.
Le système d’alimentation doit être chargé en permanence.
Moins adapté au fonctionnement en « veille ».
Possiblement une consommation électrique plus élevée. Point à noter : Pour protéger la pompe d’alimentation contre la surchauffe lorsqu’elle pompe contre une vanne modulante fermée, une conduite de recirculation ou de reflux est prévue pour assurer un débit minimum à travers la pompe (ni l’un ni l’autre n’est montré dans la Figure 8.3.5).

Applications de régulation de débit de vapeur

La régulation du débit de vapeur est moins courante que la régulation de pression et de température, mais elle est utilisée dans les applications où la régulation de la pression ou de la température n’est pas possible ou n’est pas appropriée pour atteindre les objectifs du procédé. Les sections suivantes donnent plus d’informations sur la mesure et la régulation du débit de vapeur.

Système de régulation de débit

Applications typiques :

Systèmes d’anticipation sur les installations de chaudières, où le débit de vapeur sortant de la chaudière influencera d’autres points de régulation, par exemple : le taux de complément d’eau d’alimentation et le taux de combustion du brûleur.
Processus de réhydratation, où une quantité mesurée de vapeur (eau) est injectée dans un produit, qui a été séché pour le transport ou le stockage. Des exemples de cela peuvent être trouvés dans les industries du tabac, du café et des aliments pour animaux.
Processus par lots, où l’expérience montre qu’une quantité mesurée de vapeur produira le résultat souhaité sur le produit. La sélection et l’application des composants utilisés pour réguler le débit nécessitent une réflexion approfondie. Le débitmètre (transducteur de pipeline) Le débitmètre est un transducteur de pipeline, qui convertit le débit en un signal mesurable. Le transducteur de pipeline le plus couramment utilisé relie probablement le débit à la pression différentielle. Ce signal de pression est reçu par un autre transducteur (typiquement un transmetteur DP (pression différentielle) standard) convertissant la pression différentielle en signal électrique. Certains transducteurs de pipeline sont capables de convertir directement le débit en signal électrique sans avoir besoin d’un transmetteur DP. La Figure 8.3.6 montre un débitmètre à surface variable et un transmetteur DP standard reliant la pression différentielle mesurée aux bornes du débitmètre en un signal électrique de 4 - 20 mA. Le transmetteur DP standard est étalonné pour fonctionner à une certaine pression amont ; si cette pression change, le signal de sortie ne représentera pas le débit avec précision. Une façon de surmonter ce problème est de fournir un signal de pression (ou de température) si le milieu est de la vapeur saturée, ou un signal de pression et de température si le fluide est de la vapeur surchauffée, comme expliqué dans la section suivante. Une autre façon est d’utiliser un transmetteur DP de débit massique, qui compense automatiquement les changements de pression.

Le besoin potentiel d'un ordinateur

Le besoin potentiel d’un ordinateur

Si la vapeur est le fluide dans la canalisation, alors d’autres capteurs de température et/ou de pression peuvent être nécessaires pour fournir des signaux compensant les variations de la pression d’alimentation, comme montré dans la Figure 8.3.7.

Des entrées multiples signifieront qu’un ordinateur de débit supplémentaire (ou PLC) contenant un ensemble de tables de vapeur électroniques devra traiter les signaux de chacun de ces capteurs de débit, de pression et de température pour permettre une mesure précise de la vapeur saturée ou surchauffée. Si un ordinateur de débit n’est pas facilement disponible pour compenser les changements de pression amont, il peut être possible de fournir une pression constante ; peut-être en utilisant une vanne de régulation en amont, pour donner une régulation de pression stable et précise (non montrée dans la Figure 8.3.7). Le but de cette vanne de régulation de pression est de fournir une pression stable (plutôt que réduite), mais elle introduira intrinsèquement une perte de charge dans la conduite d’alimentation. Un séparateur placé avant toute station de mesure de débit de vapeur pour protéger le débitmètre de la vapeur humide protégera également la vanne de régulation de pression de l’érosion par détente. Utilisation d’un transmetteur DP de débit massique En utilisant un transmetteur DP de débit massique au lieu d’un transmetteur DP standard, le besoin d’un ordinateur pour fournir une mesure précise n’est pas nécessaire, comme montré dans la Figure 8.3.8. C’est parce que le transmetteur de débit massique possède son propre ensemble de tables de vapeur et peut compenser tout changement de pression d’alimentation de vapeur saturée. Cependant, un ordinateur peut toujours être utilisé, si d’autres informations importantes de mesure de débit sont requises, telles que les moments de charge maximale ou minimale, ou s’il y a un besoin d’intégrer le débit sur une certaine période de temps. Un contrôleur est toujours nécessaire si le débit doit être régulé, quel que soit le système utilisé.

Le contrôleur Même si le signal de sortie du transmetteur DP ou de l’ordinateur est d’un type que l’actionneur de la vanne de régulation peut accepter, un contrôleur sera toujours nécessaire (comme pour tout autre type de système de régulation) pour les raisons suivantes :

Le signal de sortie de certains débitmètres/ordinateurs a un long intervalle de répétition (environ 3 secondes), ce qui fournira suffisamment d’informations pour qu’un enregistreur graphique fonctionne avec succès, mais peut ne pas offrir assez de réponse pour une vanne de régulation. Cela signifie que si le contrôleur ou le PLC auquel le signal du transmetteur est fourni fonctionne à des vitesses plus élevées, le procédé peut devenir instable.
Les fonctions PID ne sont pas disponibles sans contrôleur.
La sélection d’une consigne ne serait pas possible sans contrôleur.
Le signal doit être étalonné par rapport à la course de la vanne - les effets de l’utilisation d’une vanne fortement surdimensionnée ou sous-dimensionnée sans étalonnage peuvent facilement causer des problèmes.

Résumé

Il est généralement préférable d’installer le débitmètre en amont de la vanne de régulation de débit. La pression plus élevée minimisera sa taille et lui permettra d’être plus rentable. Il est également probable que le débitmètre sera soumis à une pression de vapeur (et une densité) plus constante et sera moins affecté par les turbulences de la vanne de régulation de débit en aval. Dans certains cas, l’application peut nécessiter une régulation à débit constant. Cela signifie que des caractéristiques telles que les taux de modulation élevés ne sont pas importantes, et les débitmètres à diaphragme sont appropriés. Si le débit doit varier de grandes quantités, alors la « modulation » devient un problème qui doit être pris en compte. Le sujet de la mesure de débit est discuté plus en profondeur dans le Bloc 4.