Mini-Projet : Capteur de niveau

Introduction

Il  est  bien  connu  que  les  capteurs  transforment  une  grandeur physique en grandeur électrique, dans ce rapport, nous nous intéresserons à   un  capteur  qui  détecte  le  niveau  d'une  solution  aqueuse  conductrice dans un réservoir et la transforme en signal électronique  ; ce signal sera affiché directement sur place ou intégré dans une commande du process ou un système de contrôle, sache qu’une commande de commutation peut mettre  en  marche  ou  arrête  des  dispositifs  de  remplissage  comme les convoyeurs à bande ou des pompes.

Généralement la détection de niveau se fait par plusieurs méthodes (hydrostatiques, acoustiques, par absorption de rayon gamma, électriques …  etc.). 

 La  nôtre  fait  partie  de  celles  électriques,  ce  sont  des  méthodes employant des capteurs spécifiques, c’est-à-dire traduisant directement le niveau  en  signal  électrique.  Leur  intérêt  réside  dans  la  simplicité  des dispositifs et la facilité de leur mise en œuvre.

Dans  le  développement  de  ce  sujet  nous  commencerons  par l’explication de la conductivité d’une solution aqueuse  ; et nous verrons par la  suite  une  interprétation  théorique  de  l’aspect  de  fonctionnement  du capteur,  ses  avantages  et  inconvénients,  ses  composantes  et  ses
procédures de la réalisation.

I-    La détec tion électrique d’une solution aqueuse:

I.1.  La détection : 

De point de vue électrique il est possible de détecter la présence d’une solution aqueuse grâce à ses propriétés chimiques :

•   Une « solution aqueuse », c’est de l’eau contenant une ou plusieurs substances dissoutes.

•   L’eau pure (distillée) n’est pratiquement pas conductrice du courant électrique.

•   Les solutions aqueuses doivent contenir des ions (particules chargées) pour être conductrices. Les solutions qui ne contiennent que des molécules ne sont pas conductrices.

•   Dans les solutions aqueuses, le courant électrique est dû à un déplacement d’ions.

•   Les ions positifs se déplacent dans le sens du courant (vers la borne -) et les ions négatifs dans le sens contraire (vers la borne +).

Dans  une  solution  aqueuse  ionique,  les  ions  de  charge  électrique  positive  se  déplacent  vers
l’électrode  de  charge  électrique  négative  (Cathode),  et  les  ions  négatifs  se  déplacent  dans  le  sens contraire (vers la borne positive : Anode).

C’est ce mouvement à double sens qui constitue le courant électrique dans un liquide.

I.2.  La concentration de conductivité

La  conductivité  électrique  est  fortement  dépendante  du  nombre  d'électrons  disponibles  pour
participer au process de conduction.

La conductivité est définie comme le rapport entre la densité de courant (J) et l’intensité du champ
électrique (e) 𝑆 =𝐽/𝑒

                                                     Solution de Chlorure de Sodium
La  plupart  des  métaux  sont  des  conducteurs  d’électricité  extrêmement  bon,  du  fait  du nombre  important  d’électrons  libres  pouvant  être  excité  dans  une  couche  énergétique  vide  et disponible.

Dans  l’eau  et  les  matériaux  ioniques  et  liquides,  du  fait  que  le  courant  électrique  est transporté  par  les  ions  de  la  solution,  la  conductivité  augmente  lorsque  la  concentration  des  ions augmente.

Donc, puisque la conductivité des solutions aqueuses est généralement  faible, nous allons adopter un transistor sensible à cette conductivité même si elle est faible  ; notre choix est tombé sur le transistor BC548 dont ses caractéristiques sont données à l’annexe.  

Dans  le  chapitre  suivant  nous  abordons  le  montage  convenable  pour  la  réalisation  d’un
capteur de niveau efficace.

II-   Aspect de fonctionnement

II.1.  Principe de base

Le schéma ci-dessous représente l’idée de base de principe de détection de niveau.

                                                   Figure 1: schéma de principe de base

Si l’interrupteur SW1 fermé la Led s’allume, au contraire s’il est ouvert le transistor est à l’état bloqué alors la Led sera éteinte du fait de l’absence de courant IC.

II.2.  Principe globale 

Une  sonde  (électrode,  simple  tige  métallique  d'axe  vertical  isolée  de  la  masse  du  réservoir)  a  son extrémité inférieure toujours immergé dans le liquide.

Lorsque le niveau monte, ce liquide arrive en contact avec  l’extrémité de la deuxième sonde située
plus haut le circuit électrique est alors fermé, un courant  sous très basse tension passant entre deux
électrodes. Cette variation de résistance du milieu passe de l’état d’isolant à (gaz ou vapeur) à l’état
conducteur (liquide) produit une variation de tension détectée par le circuit électronique (figure 2) qui
change l’état d’un contact ou d’un signal de sortie (Rappelons que nous pouvons exploiter ce signal de sortie à plusieurs fins). 

Il est simple de placer plusieurs détections de niveau (très basse, basse, haute, très haute…) en utilisant plusieurs sondes (électrodes) de longueurs différentes.

On  remplace  parfois  l’électrode  la  plus  longue  dont  d’extrémité  doit  toujours  être  plongé  dans  le liquide par la masse du réservoir s’il est en métallique.

Une  électrode  peut  aussi  être  montée  horizontalement  si  on  dispose  d’un  piquage  latéral  sur le réservoir. 

On utilise un courant sous faible tension pour éviter tout risque d’électrocution (le fait de faire passer
dans  un  organisme  vivant  une  décharge  électrique)  et  sous  faible  intensité  pour  qu’il  n’y  ait  pas d’électrolyse (décomposition chimique d’un certains corps composés en fusion ou en solution obtenue par le passage d’un courant électrique) du liquide dont on mesure le niveau.

II.3.  schéma

                                               Figure 2:circuit du capteur de niveau

II.4.  Avantages

•  Simplicité

•  Coût moins élevé

•   Indépendance par rapport aux caractéristiques physiques du produit (en particulier la masse volumique) 

•  Les détecteurs sont donc des systèmes en général d'un coût moins élevé que celui des dispositifs  de  mesure  continue  mais  fiables  car  la  sécurité  des  personnels  et  des installations repose souvent sur eux.

II.5.  Inconvénients

•  Ne  convient  qu’avec  les  liquides  et  à  condition  qu’ils  soient  inducteurs  (eau,  acide,solutions). 

•   Peu corrosifs (sinon, remplacer périodiquement les électrodes, leur cout étant faible).

•   Peu chargés de particules susceptibles de se déposer.

•   L’eau pure, l’eau sucrée ou l’huile contiennent des    molécules  :  ce ne sont pas des solutions conductrices.

III -  Réalisation

Avant de passer   à la réalisation de circuit en pratique on simule le fonctionnement de ce  circuit à l’aide d’un  logiciel  de  simulation  pour  vérifier  la  validité  de  montage  et  pour  éviter  tout  risque  de détérioration d’un composant ou de tout le circuit.

III.1.  Les composants du circuit 

III.2.  Simulation via le logiciel Proteus ISIS

La conductivité de l’eau sera représentée par un interrupteur

                       Figure 3: simulation de circuit de capteur de niveau par Proteus ISIS

Résultat : 

Le circuit fonctionne sans erreurs

III.3.  La réalisation en pratique

Dans cette étape nous choisissons de mettre en pratique ce montage à l’aide d’une plaque d’essai. Les
images  suivantes  montrent  le  fonctionnement  de  capteur  de  niveau  à  après  plusieurs  tests sans problèmes. 

                                      Figure 4 : le circuit réalisé sur la plaque d'essai

                                    Figure 5: le niveau de l'eau en état bas

                                   Figure 6  : le niveau de l'eau à l'état intermédiaire

Conclusion

Le fait d’aborder le sujet « Capteur de niveau » dans le cadre du mini  projet, nous a permis de développer une méthodologie rigoureuse et  efficace  de  travail,  de  s’adapter  à  la  démarche  du  projet,  ses contraintes et difficultés et de mettre en pratique les connaissances acquises pendant la période de formation comme les cours appris en commun.

Pour  clore,  ce  mini  projet  a  été  pour  nous  un  complément  à  notre formation,  dans  ce  sens,  nous  souhaitons  en  perspective  que  cette expérience sera enrichissante sur les deux plans théorique et pratique par la réalisation de ce capteur de niveau.
                       

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Télecharger      Rapport complet de Mini-Projet

                           Ce travail est réalisé par   :  Mostafa Chouiyekh & Bilal Chriyaa.