Par Matt Hankinson, MTS Sensors (Extraits)
Les zones dangereuses sont notamment tous les endroits où il y a un risque d'exposition à des substances inflammables, voire explosives. Dans de telles circonstances, assurer un fonctionnement en continu peut s'avérer difficile. Il est donc déterminant que les éléments qui composent de tels équipements soient bien prévus pour fonctionner dans ces environnements intransigeants. Les applications à sécurité fonctionnelle sont celles pour lesquelles une exploitation en toute sécurité doit être assurée en raison d'un risque de dommage aux équipements ou de blessures aux individus.
Les capteurs de position linéaire sont couramment utilisés dans les systèmes industriels, et dans de nombreux cas il doit être tenu compte des risques d'accidents, sinon les conséquences peuvent être très graves, du matériel coûteux pouvant être endommagé, voire même des vies mises en danger.
Dans des zones dangereuses, la présence de gaz, de vapeurs, de liquides, ou de poussières inflammables, peut constituer un risque majeur pour le fonctionnement d'un dispositif électrique, puisque le dispositif est susceptible d'enflammer la substance inflammable. Pour les équipements intégrant une technologie de détection de position, le capteur (ou le dispositif de détection) doit présenter les caractéristiques appropriées pour répondre à ces contraintes. Le livre blanc qui suit examine en détails les différentes mesures qui doivent être prises lors du choix du capteur, afin de s'assurer que celui-ci convienne bien.
Définition des zones dangereuses
Il existe de nombreux exemples de zones dangereuses. Parmi les plus courantes on trouve notamment les plateformes pétrolières, les raffineries, les sites de production chimique ou pharmaceutique, les sites de traitement d'eaux usées, ou les grandes unités de nettoyage à sec, ainsi que les usines où des produits chimiques industriels sont traités ou produits, les sites de stockage de poudres (de magnésium ou d'aluminium, par exemple), ou de production de produits chimiques actifs (comme les engrais).
Normes du marché
Pour tout dispositif électrique installé en environnement potentiellement inflammable ou déflagrant, la stricte conformité à certaines normes industrielles est obligatoire. Les plus en pointe sont l'IECEx de la Commission Electrotechnique Internationale, l'ATEX de l'Union Européenne (décrite dans les directives 99/92/EC et 94/9/EC) et le NEC (National Electric Code) utilisé aux Etats-Unis.
Sécurité fonctionnelle IEC 61508
Le concept de sécurité fonctionnelle correspond au fait qu'une fois la situation potentiellement dangereuse détectée, des mesures peuvent être prises pour éviter qu'un accident ne se produise, ou pour s'assurer que s'il se produit, ses effets soient réduits à un niveau acceptable, de sorte que la santé des opérateurs ne soit pas mise en danger, ni que des dommages ne soient causés à des équipements de valeur.
L'IEC 61508 fournit une norme pour évaluer qu'un dispositif de sécurité fonctionne bien au niveau requis, y compris dans ses différents modes de panne. Les dispositifs sont classés par catégorie selon leur niveau d'intégrité de sécurité SIL qui est fonction de la probabilité de panne.
Principales méthodes de protection
Il existe un grand nombre de méthodes différentes pour atténuer l'incidence des environnements dangereux. Un blindage peut être mis en place pour assurer une protection de base. La conception du système peut prendre en compte le maintien des composants sensibles éloignés des endroits où les conditions sont les plus sévères. L'inclusion de redondance dans le système est également très intéressante, puisqu'elle permet, en cas de panne, de disposer d'une solution de secours pour continuer de fonctionner.
En cas de danger permanent à cause de la présence de substances explosives, enfermer le matériel électrique ou électronique à l'intérieur d'une enceinte antidéflagrante peut s'avérer nécessaire. Ainsi on pourra contenir une explosion à l'intérieur, en évitant les dommages à l'environnement alentour.
Détection de position dans les zones dangereuses
Du matériel de détection est déployé dans de nombreuses applications pour fournir un "feedback" de position au système. Cela doit souvent se faire dans des contextes dangereux. Plusieurs mécanismes de détection peuvent être utilisés pour mesurer la position dans de tels contextes. Parmi ceux-ci on distingue les potentiomètres, les encodeurs, les transformateur différentiel à variation linéaire LVDT et les capteurs linéaires magnétostrictifs.
Principes de la magnétostriction et de la détection magnétostrictive
Quand un matériau ferromagnétique est placé dans un champ magnétique, de microscopiques modifications de sa structure se produisent. Par conséquent ses dimensions se trouvent modifiées, c'est ce que l'on appelle la magnétostriction. La magnitude de la modification dimensionnelle est directement liée à la force du champ magnétique appliqué. Ce phénomène fournit une méthode de détection sans contact très efficace. Etant donné qu'ils ne font appel à aucune pièce en mouvement, les capteurs magnétostrictifs présentent une très grande fiabilité et une durée de vie très longue.
Utilisation de la technologie magnétostrictive avancée
Pour permettre une mesure de position exacte même dans les contextes industriels les plus difficiles, MTS Sensors a développé sa technologie de détection magnétostrictive propriétaire Temposonics. Ce système de détection de position comprend les éléments suivants :
-Un guide d'ondes ferromagnétique
-Un aimant permanent mobile détecteur de position, qui se déplace le long du guide d'ondes
-Un convertisseur d'impulsion de contrainte, avec son électronique de gestion
La mesure de position exacte grâce à cette technique est dérivée de l'interaction momentanée entre deux champs magnétiques. Un de ces champs émane de l'aimant mobile qui est attaché rigidement à l'objet dont on veut détecter la position. Il s'agit d'un champ longitudinal. Le second champ est de type radial. Ceci est généré par l'impulsion de courant appliquée au guide d'ondes et qui court parallèlement à l'axe de déplacement de l'aimant mobile. Quand l'impulsion arrive à proximité de l'aimant mobile, l'interaction de leurs champs magnétiques respectifs déclenche la magnétostriction. Le guide d'ondes est déformé de manière élastique, et une onde de torsion ultrasonique est générée. Cette onde repart en arrière dans le guide d'ondes et se trouve convertie en signal électrique quand elle en atteint l'extrémité. Etant donné que la vitesse de propagation de l'onde est constante le long du guide d'ondes, la position précise de l'aimant mobile peut être calculée sur le principe du temps de vol.
En s'appuyant sur sa technologie Temposonics, MTS Sensors a présenté une offre produits pour répondre à la demande croissante en matière de sécurité et de zones dangereuses. On peut classer les dispositifs en anti-inflammables et antidéflagrants, selon leur conformité ATEX, IECEx Zone 0/1, NEC 500 et NEC 505 Zone 0/1.
Les applications de sécurité peuvent être traitées soit par redondance, soit par une évaluation de sécurité fonctionnelle spécifique telle que SIL2, selon la norme IEC 61508. Une méthode pour répondre aux exigences de sécurité est de fournir un système de mesure redondant au sein du capteur lui-même, à titre de secours.
Le capteur RT4 est bien adapté aux applications de sécurité, grâce à deux caractéristiques principales qui renforcent sa fiabilité. La première est une redondance intrinsèque, puisque deux éléments de détection indépendants sont contenus dans la tige, avec des signaux allant vers deux électroniques différentes. La deuxième caractéristique est l'électronique séparée qui permet aux composants semi-conducteurs sensibles nécessaires au conditionnement et au traitement du signal de rester éloignés des conditions les plus extrêmes (jusqu'à 600 mm de la tige du capteur), ce qui les préserve d'éventuels dommages. En outre, un boîtier classé IP68 assure une protection complète contre le ruissellement et la poussière.
L'interface de sortie série synchrone SSI 24, 25 ou 26 bits du RT4 assure au signal un niveau d'intégrité élevé.
Conclusion
Le besoin croissant de sécurité fonctionnelle dans les applications dangereuses pousse progressivement au transfert de la détection de position LVDT traditionnelle vers une approche plus sophistiquée basée sur la magnétostriction. Au delà des inconvénients en termes de performance et de longévité opérationnelle, les capteurs LVDT et les autres capteurs de position mentionnés plus haut ne peuvent offrir le même degré de sécurité fonctionnelle que les capteurs magnétostrictifs.
En résumé, le choix du bon capteur est déterminant pour le déploiement de systèmes de détection de position. Il existe de nombreux facteurs à prendre en compte pour spécifier le bon dispositif. Il vaut donc mieux s'engager avec un fabricant de capteurs offrant un catalogue complet de solutions permettant de répondre à un large éventail de besoins, et possédant une bonne compréhension des problèmes de sécurité fonctionnelle. Ceci doit bien sûr s'appuyer sur un support technique de haut niveau et sur une bonne connaissance des applications.
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