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Les détecteurs ultrasoniques industriels destinés à l'automatisation sont disponibles sur le marché depuis une trentaine d'années. Ils étaient à l'origine encombrants et coûteux, ont fait leur apparition dans certains domaines d'application spécifiques, mais on en trouve aujourd'hui dans presque tous les domaines. Au fil de leur évolution technologique, les détecteurs ultrasoniques sont devenus beaucoup plus compacts et performants, plus économiques, et cette évolution est loin d'être terminée. Ils annoncent une toute nouvelle gamme d'applications industrielles.
Un détecteur est un composant technique qui peut enregistrer des propriétés physiques ou chimiques en termes qualitatifs ou quantitatifs. Dans le secteur de la technologie d'automatisation, les détecteurs utilisent des signaux pour indiquer le statut d'une machine ou d'une usine, qui servent aussi de variables d'entrée pour l'appareil de contrôle. Les détecteurs se caractérisent surtout par leurs principes physiques de fonctionnement : les détecteurs inductifs réagissent aux changements dans un champ électromagnétique, tandis que les détecteurs optoélectroniques réagissent aux changements des ondes lumineuses. Les détecteurs ultrasoniques fonctionnent dans les milieux de transmissions (gaz, fluide, matériaux solides) à l'aide des ondes sonores. Ils sont surtout utilisés dans l'automatisation de la production pour mesurer la durée de fonctionnement ou l'amplitude des impulsions du son dans l'air. Avec la procédure très courante de la mesure du temps de vol, le détecteur émet un train d'impulsions ultrasoniques et mesure le temps écoulé jusqu'à la réception d'un écho (Figure 1). Un seul transducteur ultrasonique fonctionnant comme émetteur et récepteur est généralement utilisé dans ce cas. La distance entre le détecteur et l'objet qui génère l'écho est alors calculée avec la formule . (c : vitesse du son, t : temps mesuré). En outre, il existe également des détecteurs de transmission et de réception, qui comprennent des transducteurs individuels qui sont soit situés dans le même boîtier, soit branchés séparément pour permettre l'intégration des détecteurs standard et des détecteurs en mode barrage.
Le composant principal d'un détecteur ultrasonique est le transducteur. Aujourd'hui, des transducteurs durables solides sont utilisés dans la plupart des applications et se composent principalement d'une combinaison de céramiques piézo-électriques pour créer une vibration mécanique et une couche d'adaptation acoustique. Cette couche d'adaptation est nécessaire pour que les impédances extrêmement différentes des céramiques piézo-électriques et de l'air s'adaptent l'une à l'autre. Pour obtenir le meilleur accord, l'impédance acoustique doit être égale à . (ZK : impédance acoustique de la céramique piézo-électrique ; ZL : impédance acoustique de l'air ; Z = ρ * cM et ρ : densité de la substance ; cM : vitesse sonique de la substance). Sans ces mesures, seule une petite fraction de l'énergie sonore serait libérée dans l'air (au cours de l'émission) ou recueillie (en mode réception), ce qui diminuerait considérablement les plages de détection. En plus de s'adapter parfaitement aux conditions acoustiques, le détecteur doit se caractériser par un degré élevé de stabilité mécanique, une forte résistance aux produits chimiques, une large plage de températures, une bonne isolation acoustique par rapport au boîtier du détecteur, et surtout un faible coût. Le succès des détecteurs Pepperl+Fuchsl s'explique en grande partie par l'expertise sur la pénétration physique théorique et sur les méthodes de production pratiques. L'évolution technique la plus récente consiste en un transducteur recouvert d'une membrane en acier inoxydable qui permet la production de détecteurs ultrasoniques hermétiquement clos pour la mesure de distance.
L'éclatement d'un train ou une seule impulsion permet d'atteindre la fréquence de résonance requise en mode transmission en appliquant des tensions pouvant atteindre plusieurs centaines de volts afin de stimuler électriquement le transducteur ultrasonique décrit. Le détecteur passe ensuite en mode réception, le transducteur servant alors de microphone. Le signal de réception avec une magnitude de quelques millivolts est amplifié, démodulé, et transmis à un détecteur à seuil. La distance qui sépare le détecteur de l'objet est alors calculée à partir de la durée de l'impulsion sonique. Comme le même transducteur est utilisé pour les émetteurs et les récepteurs, une zone morte, où toute détection est impossible, se trouve directement face au détecteur. Différentes mesures de matériels et de logiciels peuvent réduire considérablement la taille de cette zone morte et accroître l'immunité aux interférences.
Comme la vitesse du son dans l'air calculée avec la formule (c0 : vitesse du son à
Les fréquences ultrasoniques utilisées se trouvent dans une plage comprise entre
En plus de la fonction clé des transducteurs ultrasoniques mentionnés, la conception du matériel et, surtout, le traitement des signaux par le microcontrôleur à l'intérieur du détecteur sont des caractéristiques de performances décisives. Au lieu d'installer de simples contrôleurs 8 bits qui proposent uniquement des fonctions très rudimentaires, de puissants contrôleurs 32 bits sont aujourd'hui installés de série ; ils reproduisent les algorithmes complexes en temps réel, sont moins encombrants et permettent de réduire les coûts. Entre autres exemples, on trouve la largeur du lobe sonore ajustable et la possibilité d'obtenir de parfaits résultats de mesure dans des conditions difficiles en mesurant les amplitudes des échos (en plus des temps de trajet). Les possibilités dépassent les perspectives actuelles et sont loin d'être intégralement exploitées.
Les détecteurs ultrasoniques sont beaucoup plus résistants aux salissures et à l'humidité que les détecteurs optoélectroniques. Les dommages mineurs à la surface du transducteur ne sont pas d'une importance critique en raison du caractère global de l'appareil. En outre, la couleur ou le degré de transparence des objets détectés n'ont bien entendu aucune influence. La longévité des détecteurs ultrasoniques est comparable à celle des détecteurs inductifs, mais leur plage de détection est cent fois supérieure. Il existe également des similitudes entre les conceptions. Les petits détecteurs ultrasoniques cylindriques, d'une taille M12, et les modèles parallélépipédiques dans des boîtiers de détecteurs optoélectroniques ou de détecteurs de proximité caractéristiques sont aujourd'hui de série. En outre, il existe des versions qui sont adaptées à des exigences spécifiques, comme la mesure de niveaux de remplissage.
Les détecteurs dotés de sorties de commutation numériques ou d'une interface analogique 4-20 mA sont monnaie courante. Cependant, il existe aussi des détecteurs qui fonctionnent à une puissance de