Vaisala capacitif à oxyde métallique Manuel utilisateur

/ NOTE D’APPLICATION
Les technologies des capteurs de point
de rosée et leurs différences de performance
dans les applications d’air comprimé
L’humidité est un facteur essentiel
pour les techniciens de l’air
comprimé. Un fonctionnement efficace
des capteurs de point de rosée permet
d’identifier les problèmes d’humidité
avant qu’ils aboutissent à des
dysfonctionnements, à des opérations
inefficaces ou à une mauvaise qualité
du produit final. Cependant, la
mesure du point de rosée dans les
systèmes d’air comprimé comprend
de nombreux défis susceptibles de
conduire à des valeurs erronées,
une mauvaise stabilité, voire à
des défaillances de capteurs. Les
questions les plus fréquentes liées à
la mesure du point de rosée dans
l’air comprimé sont généralement
centrées sur
• le temps de réponse
• la fiabilité de la valeur indiquée
• le rétablissement après pics d’eau
ou condensation
• l’exposition à huile de compresseur.
Pour mieux comprendre ces défis,
il faut d’abord se pencher sur les
différences de performance entre
les technologies des capteurs les
plus courants.
Les différentes
technologies de capteurs
La technologie des capteurs à miroir
refroidi peut offrir la plus haute
précision sur une large gamme de
points de rosée. Leur fonctionnement
repose sur la définition même du
Technologie
Plage de
mesure
étendue
Précision
élevée
point de rosée – le refroidissement
d’un volume d’air jusqu’à la formation
de condensation. Un échantillon
de gaz passe sur la surface d’un
miroir métallique refroidie par un
refroidisseur et un capteur optique
mesure la quantité de lumière
dirigée sur le miroir et réfléchie par
celui-ci. Quand le miroir se trouve
refroidi à la température à laquelle la
condensation commence à se former
sur la surface (c’est-à-dire quand le
point de rosée est atteint), la quantité
de lumière réfléchie diminue et
cette diminution est détectée par le
capteur optique. Le refroidissement
est alors soigneusement suivi par un
capteur de température se trouvant
sur le miroir. Une fois l’équilibre
atteint entre le taux d’évaporation
et la condensation, la température
du miroir est égale à celle du point
de rosée. En raison du principe de
mesure optique du miroir refroidi,
le capteur est très sensible à la
présence de saleté, d'huile, de
poussière et autres contaminants
sur la surface du miroir. De plus, les
appareils à miroir refroidi précis ont
tendance à être chers et sont souvent
employés lorsque la
Insensibilité
à la
poussière et à
l’encrassement
Insensibilité
à la
condensation
Stabilité
sur le
long
terme
Prix
raisonnable
Miroir refroidi
+++
+++
Capacitif à oxyde
métallique
++
++
++
+
+
++
Capacitif à
polymèrer
++
++
+++
+++
+++
++
précision absolue est essentielle et
que les opérations d’entretien et de
nettoyage peuvent être fréquentes.
Viennent ensuite les capteurs
capacitifs à oxyde métallique, dont
notamment la technologie à oxyde
d’aluminium, qui sont conçus pour la
mesure des points de rosée très bas
dans les process industriels. Alors
que les types de matériaux utilisés
pour leur construction peuvent
varier, la structure et le principe
de fonctionnement du capteur
sont généralement les mêmes. Ces
capteurs capacitifs sont construits
selon une structure stratifiée
prenant en sandwich un substrat
de base, une électrode inférieure,
une couche intermédiaire d’oxyde
métallique hygroscopique et une
électrode supérieure perméable
à l’eau. La capacitance à travers
les électrodes supérieures et
inférieures varie en fonction de la
quantité de vapeur d’eau absorbée
par la couche d’oxyde métallique
(le diélectrique du condensateur),
laquelle est une fonction du point
de rosée. Produisant une excellente
précision de point de rosée jusqu’à
-100 °C et plus bas, ces capteurs ont
tendance à offrir une piètre stabilité
sur le long terme dans les processus
marqués par des variations de
point de rosée dans les plages de
température de rosée plus élevées
(p. ex. les systèmes à sécheur frigo).
Les capteurs à oxyde métallique
peuvent également être facilement
endommagés par les niveaux
d’humidité élevés et la condensation.
La dérive de mesure qui en
découle entraîne un fréquent
réétalonnage, lequel ne peut
généralement être effectué qu’au
laboratoire du fabricant.
Les capteurs capacitifs à polymère,
enfin, permettent une mesure précise
sur une plage d’humidité étendue
tout en offrant une excellente
stabilité sur le long terme. Depuis
janvier 1997, où Vaisala a lancé le
premier capteur à polymère du
monde pour la mesure du point de
rosée, la technologie DRYCAP® est
utilisée dans une grande variété
d’applications industrielles et
météorologiques. De nouvelles
innovations ont permis d’utiliser ces
capteurs aussi dans les applications
à bas point de rosée. Leur principe
de fonctionnement capacitif étant
similaire à celui des capteurs à oxyde
métallique, ils présentent toutefois
quelques différences essentielles.
Hormis la différence matérielle
évidente de la couche hygroscopique
(polymère vs. oxyde métallique),
un capteur à polymère est couplé à
un capteur de température résistif.
Le capteur à polymère mesure
l’humidité (la quantité de molécules
d’eau contenue dans le gaz mesuré)
en termes d’humidité relative (HR),
tandis que le capteur de température
mesure la température du capteur
à polymère. Le microprocesseur
de l’électronique du transmetteur
calcule finalement le point de
rosée à partir de ces deux valeurs.
Une fonction d’autoétalonnage,
également inventée par Vaisala, est
utilisée pour mesurer les valeurs
précises du point de rosée dans les
conditions très sèches. Lorsque
l’humidité relative approche de
zéro, des variations relativement
faibles de l’humidité se traduisent
par des variations notablement
importantes de la valeur du point
de rosée indiquée. Par exemple,
des points de rosée de 40 °C et
50 °C à température ambiante
correspondent à des humidités
relatives de respectivement 0,8 %
et 0,3 % HR. La précision de ±2 %
HR habituellement spécifiée pour
les capteurs à polymère ne peut
normalement être obtenue que
jusqu’à -9 °C. L’autoétalonnage étend
cette précision de ±2 °C jusqu’à 80 °C.
Lors de l’autoétalonnage, le capteur
est chauffé puis laissé revenir à
température, l’humidité et les valeurs
surveillées par le capteur étant
suivies et tracées. Ces données
sont analysées et utilisées pour
l’ajustement de la valeur indiquée par
le capteur d’humidité.
La clé de cet étalonnage de précision
réside dans le fait que la valeur
de sortie du capteur équivaut à
l’humidité relative (HR), laquelle
varie en fonction de la température.
Cette dépendance physique bien
connue permet au dispositif
d’étalonnage d’évaluer si la basse
humidité indiquée à 0 % HR est
H² O
1
2
5
3
4
Structure stratifiée du capteur DRYCAP®. 1. Electrode supérieure perméable à la
vapeur d’eau 2. Couche de polymère sensible à l’humidité 3. Electrode inférieure
4. Substrat du capteur 5. Broches de sortie
correcte. Tout éventuel écart est
alors automatiquement corrigé par
le microprocesseur. Ceci se traduit
par une précision meilleure que ±2 °C
même aux bas points de rosée.
Valeur de point de rosée
Fruit de plusieurs années d’essais
et d’une sélection minutieuse
du matériau, la technologie
du polymère, associée à une
électronique intelligente, offre une
solution hautement performante
pour les applications dans lesquelles
un entretien minimal est requis pour
le transmetteur de point de rosée.
1er DMT242
2e DMT242
Valeur de point de rosée
Question 1 : Comment
assurer un temps de
réponse rapide ?
Lors de l’installation dans une ligne
d’air comprimé à -40 °C d’une sonde
de point de rosée stockée à des
points de rosée ambiants, le temps
de réponse requis par les capteurs
traditionnels pour se stabiliser à
cette valeur de -40 °C se compte
souvent entre plusieurs heures
et plusieurs jours. Ceci est dû au
fait que les autres technologies de
capteurs capacitifs doivent s’en
remettre au processus relativement
lent de mise à l'équilibre de la
couche hygroscopique du capteur
(qui absorbe la vapeur d'eau) avec
l'environnement du process.
Une meilleure solution consiste
à utiliser un capteur capacitif à
polymère avec fonction de purge.
1er DMT242
2e DMT242
Ces graphes sont extraits d’un essai en cours dans lequel deux transmetteurs
de point de rosée Vaisala DRYCAP® DMT242 ont été installés sur une ligne d’air
comprimé il y a sept ans et n’ont été ni réétalonnés ni ajustés. Les conditions de la
ligne en question sont représentatives d’un air instrument. L’axe des x correspond
aux années et celui des y à l’écart par rapport à la valeur de référence à intervalles
de contrôle réguliers.
Le capteur Vaisala's DRYCAP® réagit
immédiatement lorsqu’il détecte une
baisse du point de rosée de 10 °C ou
plus, en initiant un cycle de purge
et en lui appliquant de la chaleur.
Ceci extrait les molécules d’eau de
la couche polymère, séchant ainsi
le capteur et produisant une mesure
stabilisée dans les 5 à 6 minutes.
Question 2 : Comment
savoir si la valeur indiquée
est correcte ?
La question la plus fréquemment
posée au sujet du point de rosée par
les techniciens est : « J’ai plusieurs
instruments de mesure du point de
rosée installés au même emplacement
mais qui donnent des indications
toutes différentes. Comment savoir
laquelle est correcte ? »
C’est aussi celle à laquelle il est
habituellement le plus difficile de
répondre, en raison du nombre de
variables susceptibles d’affecter
la mesure : conditions du process,
méthode d’installation, mode de
lecture du signal, précision des
capteurs installés et temps écoulé
depuis le dernier étalonnage.
Structure du capteur capacitif à polymère Vaisala DRYCAP®
Le fait étant largement connu que
tout capteur de point de rosée finit
par dériver, la question critique
est de savoir de combien et avec
quelle rapidité.
Les capteurs à oxyde métallique
continuent d’oxyder en présence
d’eau, ce qui entraîne un changement
structurel de la couche d’oxyde
poreuse. Il s’ensuit une imprécision
de la mesure et une dérive du capteur.
Un capteur à polymère de
haute qualité avec fonction
d’autoétalonnage assure un haut
niveau de précision grâce à cette
fonction d’autoétalonnage, qui
s’active toutes les heures dans
un environnement stable (et
plus souvent en cas de variation
des conditions) pour garantir la
minimisation de la dérive absolue
– et assurer ainsi des années de
fonctionnement de mesure fiable et
sans entretien.
Les capteurs à polymère, par contre,
sont insensibles à l’eau du fait de
leurs caractéristiques d’inertie
interne. Quand un capteur à polymère
avec fonction d’autoétalonnage a
détecté un pic d’eau, il initie un
cycle d’autoétalonnage lorsque
l’air sec normal est rétabli dans la
ligne et revient à des valeurs de
fonctionnement normal en
quelques minutes.
Question 3 : Comment
le capteur se rétablit-il
des pics d’eau ou de la
condensation ?
Question 4 : Le capteur
peut-il résister à
l’exposition aux huiles de
compresseurs ?
Les pics d’eau occasionnels ou
l’exposition à des gouttelettes sont
des phénomènes inévitables du
fonctionnement normal d’un système
d’air comprimé. La survie et le
rétablissement d’un capteur de
point de rosée à la suite de ces
événements dépendent du type de
capteur installé.
1. Début de l’autoétalonnage :
Température
du capteur
La valeur HR du capteur chauffé
( T ~10 °C) diminue quand
T augmente.
Humidité du
capteur
2. Le capteur commence à
refroidir après un bref chauffage.
La valeur HR commence à
augmenter.
3. HR et T sont enregistrés
au cours de la phase de
refroidissement.
Temps
Point HR/T avant le
chauffage
Augmentation
de l’humidité
Humidité
4. L’intersection de la ligne droite
reliant les points HR&T recueillis
indique la valeur de la correction
de dérive.
5. Fin de l’autoétalonnage :
Le capteur est refroidi et le mode
de mesure normal se réactive et
utilise la valeur de correction.
6. A l’issue de l’intervalle
préréglé (une fois/heure),
l’autoétalonnage se répète.
Les traces d’huile de compresseur
en suspension dans l’air comprimé
peuvent signifier un désastre pour
certaines technologies. Par bonheur,
Points HR/T au
cours de la phase
de chauffage
Point HR/T
juste après
le chauffage
Humidité
faible
T augmente
Valeurs de l’humidité
= après correction de
la dérive
Valeur de la correction de dérive (HR diffère d’autant
de la valeur réelle, p.ex. 0,01 % HR)
Température
Basse T
Fonction d’autoétalonnage
Pour plus d’informations, rendez-vous
sur notre site www.vaisala.fr ou écriveznous à l’adresse [email protected]
En bref
▪
La technologie du miroir
refroidi offre la précision la
plus haute sur une large plage
de points de rosée, mais
sa performance peut être
limitée par la présence de
contaminants.
▪
Les capteurs capacitifs à
oxyde métallique permettent
la mesure de points de rosée
très bas, mais ils peuvent
être endommagés par de
hauts niveaux d’humidité et la
condensation.
▪
Les capteurs capacitifs à
polymère avec fonction
d’autoétalonnage sont
fonctionnels sur une large
amplitude d’humidité, sont
insensibles à la condensation
et assurent la stabilité sur le
long terme.
la structure de certains capteurs
à polymère – tels que le Vaisala
DRYCAP® – est spécifiquement
conçue pour n’admettre que les
molécules d’eau. Ceci est obtenu par
une électrode supérieure perméable
spécifique dont le diamètre des
pores n’autorise la traversée que
de la vapeur d’eau. Beaucoup
plus grandes, les molécules des
hydrocarbures (p. ex. des huiles)
ne peuvent pas traverser ces pores,
ce qui élimine toute sensibilité aux
huiles. De par leur construction,
l’optique et les surfaces
réfléchissantes des capteurs à
miroir refroidi doivent rester
propres pour maintenir leur
performance – et présentent
ainsi une tolérance minimale à la
contamination par l’huile.
Ref. B211092FR-A ©Vaisala 2011
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