Stratégies d'application avancées pour les capteurs à ultrasons dans l'automatisation industrielle

• Mécanisme : Utilisé dans les configurations à travers le faisceau (émetteur et récepteur séparés). Le capteur ne mesure pas la distance, mais la perte d'énergie.
• Physique : Lorsqu'un objet (ou une deuxième feuille de matériau) bloque le chemin, l'amplitude du signal diminue. Cela permet de détecter les changements structurels internes (comme les espaces d'air dans les doubles feuilles) ou le masquage des bords linéaires, indépendamment de la couleur ou de la réflectivité de la surface.

• Mécanisme : Le capteur émet une impulsion et calcule la distance (d ) en fonction de l'heure de retour (t ) et la vitesse du son (c ).
• Physique : La cible doit disposer d'un nombre suffisant de Désadaptation de l'impédance acoustique avec l'air pour réfléchir l'énergie vers la source. Il s'agit du mode standard pour la télémétrie et la détection de présence.

• Mécanisme : Une utilisation sophistiquée de la Évaluation de l'amplitude du signal.
• Physique : Différents matériaux absorbent l'énergie sonore à des taux différents. Une surface dure (acier) réfléchit ~99% d'énergie, tandis qu'une surface poreuse (mousse, laine) en absorbe. En analysant la force de l'écho - et pas seulement son timing - les capteurs peuvent faire la distinction entre les matériaux (par exemple, confirmer la présence d'un insert en mousse souple dans une coque en plastique dur), même s'ils se trouvent exactement à la même distance.

Une intégration réussie nécessite de respecter les limites inhérentes aux transducteurs piézoélectriques :

• The Blind Zone (Dead Band) :
  Le transducteur fait à la fois office de haut-parleur et de microphone. Après l'émission d'une impulsion à haute énergie, l'élément en céramique vibre mécaniquement (“sonne”) pendant quelques millisecondes. Pendant ce temps, l'élément céramique vibre mécaniquement ("sonne"). Durée de la sonnerie, le capteur est “sourd” aux échos qui lui parviennent.
  • Règle d'ingénierie : Conceptions mécaniques doit comprennent des dispositifs de montage pour s'assurer que la cible ne pénètre jamais dans cette zone (généralement de 0 à 100 mm). Si une cible pénètre dans la zone aveugle, la sortie devient indéterminée et peu fiable.
• Géométrie du faisceau (le cône sonore) :
  Le son se propage dans un cône volumétrique (généralement de 6° à 12°), et non dans une ligne laser.
  • Règle d'ingénierie : La zone de détection est volumétrique. Tout rail de machine, support ou paroi de réservoir dépassant dans ce cône génère Faux échos. Les installations nécessitent un calcul de la trajectoire libre en fonction de l'angle du faisceau et de la distance de la cible.

• Les capteurs photoélectriques regardent à travers des objets transparents.
• Le caoutchouc ou le plastique noir absorbe la lumière, empêchant le signal de retour nécessaire aux capteurs optiques diffus.

• Détection d'impédance : Les capteur détecte la différence massive entre les Impédance acoustique (Z) between Air (Z_l'air ≈ 400) and the Solid Object (Z_solide > 10⁶). Que l'objet soit en verre transparent ou en caoutchouc noir, l'onde sonore rebondit efficacement sur la frontière.
• Rétro-réflexion Configuration : Pour les formes irrégulières (par exemple, les bouteilles de shampoing incurvées) qui risquent de diffuser le son loin du récepteur, il convient d'appliquer un Mode rétroréfléchissant est recommandé.
  • Mise en place : On apprend au capteur à reconnaître un arrière-plan fixe (par exemple, un rail métallique).
  • Logique : Tout objet passant entre le capteur et le rail interrompt le signal ou modifie le temps de vol. Cela permet une détection binaire à sécurité intégrée, quel que soit l'angle ou la forme de l'objet.

• La règle des 90° : Les capteur doivent être alignés strictement perpendiculaire (90°) par rapport à l'axe du rouleau. Un écart de seulement 3° sur un rouleau de feuille lisse entraînera une déviation totale de l'impulsion sonore par rapport au récepteur, ce qui se traduira par une perte de signal.
• Intégration analogique : L'utilisation de capteurs à sortie analogique 0-10V ou 4-20mA permet à l'automate de calculer l'inertie du rouleau (I = m·r²) en continu. Cela permet un réglage dynamique du PID, évitant les déchirures de la toile lors d'une accélération ou d'une décélération rapide.

• Le contexte : Empêcher deux feuilles (métal, papier, plaquette) d'entrer simultanément dans une presse, ce qui risquerait d'endommager l'outillage.
• Les raisons de l'échec de la méthode capacitive : Les capteurs capacitifs reposent sur des constantes diélectriques. Si l'humidité du papier change ou si l'alliage métallique varie, ils doivent être recalibrés en permanence.
• La physique des ultrasons :
  • Feuille unique : L'onde sonore frappe la feuille, induit une vibration et se transmet au récepteur.
  • Feuille double : Une couche d'air microscopique est toujours emprisonnée entre deux feuilles qui se chevauchent.
  • Le mécanisme : Le mince espace d'air entre les deux feuilles crée un effet de serre massif. Désadaptation de l'impédance acoustique. Ce phénomène physique fait que près de 100% de l'énergie ultrasonore est réfléchie ou dissipée, empêchant la transmission au récepteur. Une amplitude de signal proche de zéro sert de déclencheur déterministe pour l'identification d'un défaut de double feuille.
  • Résultat : Le récepteur perçoit un signal proche de zéro. Cette détection est purement mécanique et fonctionne indépendamment de la couleur, de l'impression ou du magnétisme de la feuille.

• Le contexte : Alignement de films transparents ou de tissus à mailles ouvertes pendant l'enroulement.
• La physique linéaire : Un capteur à fourche ultrasonique mesure le pourcentage d'obstruction.
  • Si la bande couvre 50% du faisceau acoustique, le signal de sortie chute d'exactement 50%.
  • Avantage de la maille : Contrairement aux capteurs optiques qui “tremblent” lorsqu'ils voient à travers les trous d'une maille, le large faisceau sonore intègre la masse moyenne du matériau, fournissant un signal de contrôle stable et linéaire pour la position du bord.

Dans l'industrie chimique, les réservoirs de stockage contiennent souvent des acides forts, des alcalis ou d'autres liquides hautement corrosifs. Les technologies traditionnelles de mesure du niveau sont confrontées à de sérieuses limitations :

• Risques de contact : Les dispositifs à contact (tels que les transmetteurs de pression submersibles, les interrupteurs à flotteur ou les sondes de capacité) doivent toucher physiquement le liquide pour fonctionner.
• Coûts élevés des matériaux : Pour résister à la corrosion, les capteurs de contact nécessitent souvent des alliages exotiques coûteux (par exemple, Hastelloy, Tantale) ou des revêtements spéciaux. Même avec ces matériaux, l'immersion à long terme entraîne souvent une dégradation du capteur, une dérive ou une fuite du joint.

• Fonctionnement sans contact véritable :
  • Le capteur est monté au sommet du réservoir et utilise l'entrefer comme moyen de transmission pour mesurer la distance à la surface du liquide.
  • Bénéfice : Cette conception “zéro contact” garantit que le corps du capteur reste physiquement isolé du liquide corrosif, ce qui élimine complètement le risque d'érosion chimique des composants sensibles.
• Durabilité du matériau contre les vapeurs :
  • Les transducteurs ultrasoniques industriels modernes sont généralement encapsulés dans du PVDF (Fluorure de polyvinylidène).
  • Bénéfice : Même dans les réservoirs remplis de vapeurs ou de fumées corrosives, le PVDF offre une résistance chimique exceptionnelle, garantissant la stabilité et la durabilité du capteur dans les atmosphères acides ou alcalines.
• Maintenance et sécurité :
  • Le capteur n'étant pas inséré dans le liquide, l'installation et la maintenance ne nécessitent pas de vider le réservoir. Cela réduit considérablement les temps d'arrêt et minimise l'exposition du personnel aux produits chimiques dangereux.

Les robots mobiles ont besoin de systèmes de sécurité redondants. LiDAR est excellent pour la cartographie mais présente des zones d'ombre.

• Faiblesses du LiDAR : Verre transparent (transmission), miroirs (déviation), objets noirs (absorption) et clôtures grillagées (le faisceau passe à travers les interstices).

• Bouclier volumétrique et conformité aux normes de sécurité : Le large cône sonore détecte la “masse solide” des clôtures en grillage et des parois en verre que les lasers étroits manquent. Cette stratégie de détection s'inscrit dans le cadre de l'initiative Normes ISO 3691-4 pour les robots mobiles industriels, fournissant une couche de redondance certifiée pour la sécurité du personnel, indépendante du système de navigation principal.
• Atténuation de la diaphonie : Lors du montage d'un ensemble de capteurs sur un pare-chocs, les interférences acoustiques constituent un risque majeur.
  • Protocole : Connecter les broches de synchronisation (Sync) de tous les appareils capteurs dans le réseau. Cela les oblige à tirer et à écouter simultanément, traitant ainsi le réseau comme une seule “peau sonar” et empêchant le capteur A de capter l'écho du capteur B.

Étant donné que la vitesse du son varie avec la température (elle augmente de ≈ 0,6 m/s par augmentation de 1°C), une simple variation de 10°C de la température ambiante peut entraîner une erreur de mesure de 1,7% si elle n'est pas compensée.

• Pour les environnements généraux : Sélectionnez toujours des capteurs avec Compensation interne de la température (thermistances NTC intégrées) pour s'adapter automatiquement aux fluctuations quotidiennes.
• Pour les environnements en pente : Dans les cas où la température du corps du capteur diffère de celle de la zone cible (par exemple, un capteur monté sur un support froid mesurant un réservoir de liquide chaud), la compensation interne est insuffisante. Une Sonde de température externe doit être installé directement dans la zone de mesure pour fournir une référence précise.

Dans les cuves de produits chimiques ou les lignes de transformation des aliments (comme nous l'avons vu dans la section III), la vapeur lourde modifie la densité de l'air et absorbe l'énergie acoustique, ce qui fait “disparaître” les signaux à haute fréquence avant qu'ils ne réapparaissent.

• Règle de sélection : Évitez les capteurs standard de 200 kHz dans des conditions de vapeur.
• Recommandation : Préciser Capteurs basse fréquence (40-80 kHz). Leurs plus grandes longueurs d'onde offrent un pouvoir de pénétration supérieur à travers la vapeur et la mousse, garantissant un retour d'écho stable même dans des environnements très humides.

La méthode de réglage traditionnelle, qui consiste à utiliser un tournevis pour tourner un potentiomètre au dos du capteur, devient obsolète. L'intégration des protocoles de communication IO-Link transforme l'utilité du capteur :

• Paramétrage dynamique : Dans une ligne de production flexible, une machine peut traiter une petite boîte (produit A) suivie d'une grande caisse (produit B). Grâce à IO-Link, l'automate peut instantanément réécrire les données du capteur. “Fenêtre de commutation” à la volée, éliminant ainsi les temps d'arrêt pour les ajustements mécaniques.
• Mise en forme du faisceau : Les capteurs avancés permettent désormais des largeurs de faisceau définies par logiciel. Un ingénieur peut rétrécir le faisceau pour pénétrer dans un réservoir profond ou l'élargir pour détecter un treillis métallique, le tout étant configuré à distance via l'IHM.

Les capteurs à ultrasons sont particulièrement bien placés pour établir un autodiagnostic de l'état de l'environnement avant qu'une défaillance ne se produise.

• La mesure de la “force du signal” : Des capteurs intelligents signalent en permanence les “Amplitude de l'écho” ou “Gain excédentaire” valeur.
• Le scénario : Dans une cimenterie poussiéreuse, la poussière s'accumule lentement sur la face du capteur.
  • Ancienne méthode : Le capteur tombe soudainement en panne lorsque la poussière bloque complètement le signal. La machine s'arrête.
  • Nouvelle voie : L'automate surveille la marge du signal. Si l'amplitude passe de 100% à 70% en l'espace d'une semaine, le système déclenche une alarme. “Alerte maintenance : Nettoyer le capteur 3” avant que le signal ne soit perdu. Il s'agit là d'une véritable maintenance prédictive.

Les capteurs modernes intègrent des processeurs embarqués plus puissants (Informatique de pointe) pour gérer des environnements acoustiques complexes.

• Suppression des interférences : Les algorithmes peuvent désormais “apprendre” la signature acoustique de la pale de l'agitateur interne d'un réservoir. Le capteur cartographie cette interférence périodique et la soustrait du signal, ce qui lui permet de suivre le niveau de liquide en continu, même lorsque l'agitateur passe directement à travers le faisceau sonore.
• Analyse multi-échos : Au lieu de réagir uniquement au premier écho, les capteurs intelligents peuvent évaluer plusieurs signaux de retour pour faire la distinction entre une gouttelette de pluie proche (bruit) et la surface réelle du liquide (cible) située plus bas, ce qui réduit considérablement les fausses alarmes dans les applications extérieures.

Avec l'essor des robots collaboratifs (Cobots) et de la logistique des drones, la taille et le poids sont essentiels.

• MEMS Ultrasons : Le développement de la Systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) Les transducteurs ultrasoniques à base de céramique sont de plus en plus petits, à l'échelle d'une puce. Cela permet d'intégrer des réseaux à haute densité au bout des doigts des robots pour la détection tactile en champ proche, ou dans la peau des drones pour éviter les collisions à 360 degrés, sans la pénalité de poids des transducteurs traditionnels en céramique.

A2 : Vous êtes probablement confronté à Interférence des lobes latéraux. Le cône sonore frappe les parois du réservoir ou les soudures internes.

• Fixer : Utilisez un puits de tranquillisation (comme décrit dans le scénario 4) ou optez pour un capteur dont l'angle de rayonnement est plus étroit. N'essayez pas de “filtrer” les réflexions des murs uniquement à l'aide d'un logiciel ; la physique doit d'abord être corrigée.

A3 : Si la bande transporteuse est lisse ou présente une couture, elle peut renvoyer le son (réflexion spéculaire) ou créer du bruit.

• Fixer : Inclinez le capteur légèrement (5° - 10°) par rapport à la perpendiculaire de la surface de la bande. Cela permet de s'assurer que l'écho provenant de la bande vide est dévié (lecture “Infini/Aucun objet”), tandis que le produit le plus haut réfléchira toujours le son vers le capteur.