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May 30, 2023

La technologie des instruments de pression doit résister aux environnements difficiles

Le Endress+Hauser Deltapilot FMB70 est un capteur de pression haute performance avec un

Le Endress+Hauser Deltapilot FMB70 est un capteur de pression hautes performances avec une cellule Contite pour la mesure de niveau hydrostatique et est utilisé dans les applications de process et hygiéniques. Source : Endress+Hauser.

Caviro Winery a installé des jauges de niveau de réservoir radar Siemens (en haut à gauche) sur tous ses navires à vin sauf 24, qui n'avaient pas assez de marge pour les jauges radar. Pour résoudre le problème, l'intégrateur système de Caviro a choisi de monter des transmetteurs de pression Siemens SITRANS P DS III (à droite) au bas de chacun des 24 réservoirs (en bas à gauche). Le PLC du système a ensuite été utilisé pour convertir les données de pression en volume. Source : Siemens.

Le transmetteur de pression manométrique, absolue, différentielle et multivariable de la série ABB modèle 266 a une performance de précision de base en option jusqu'à 0,025 %, avec des limites d'étendue de mesure allant de 0,2 pouce d'eau à 15 225 psi. Source : ABB.

Le transducteur de pression PX409S-USBH d'Omega Engineering présenté avec un logiciel de configuration et de surveillance gratuit et une fenêtre sur le processus, ainsi que le manomètre numérique sanitaire/CIP modèle DPG409S (prix séparé), fonctionne dans les applications sanitaires ou CIP et mesure la pression manométrique et absolue jusqu'à 600 psi, ainsi que le vide et la pression barométrique, et comprend cinq points. Étalonnage traçable NIST. Source : Oméga Ingénierie.

Le système d'adaptateurs hygiéniques EJAC60E de Yokogawa se compose du transmetteur de pression manométrique hygiénique EJA560E et d'adaptateurs de différentes tailles et types de connexion. L'appareil n'utilise pas d'huile ou d'autre type de fluide comme produit d'étanchéité, éliminant ainsi le risque de contamination du fluide de traitement. Source : Yokogawa Electric Corp.

La mesure de la pression, essentielle pour garantir la sécurité et la qualité des aliments, utilise des techniques de détection qui existent depuis un certain temps. Mais récemment, l'industrie alimentaire et des boissons a bénéficié des progrès de la précision des appareils intelligents modernes, associés à leur capacité à résister aux environnements et aux ingrédients difficiles.

La plupart des fabricants d'instruments de pression ont eu amplement le temps d'exercer leur métier dans d'autres industries, telles que les produits chimiques, le papier et le raffinage du pétrole et du gaz. Les capteurs ont dû résister à de puissants oxydants, de la lessive, des sels, des boues et des hydrocarbures nocifs, sans parler de la vapeur surchauffée et/ou des vibrations. Il n'était donc pas difficile de proposer des appareils pour l'industrie agroalimentaire capables de gérer certaines applications exigeantes.

Et tandis que les industries de la chimie et du raffinage en sont venues à prendre pour acquises une exactitude et une précision élevées, notre industrie bénéficie de toutes ces avancées technologiques, de sorte que des applications telles que le séchage, le raffinage d'huile comestible, la vinification et la production de yaourt peuvent être ajustées pour minimiser les déchets, augmenter l'efficacité et produire des produits constants et de haute qualité.

Les capteurs de pression sont généralement invités à gérer trois types de mesure de pression : manomètre (alias jauge), pression absolue et pression différentielle ou DP. La pression manométrique est mesurée en référence à la pression atmosphérique; la pression absolue est référencée à un vide, et DP n'est pas mesuré en référence à une pression spécifique, c'est-à-dire que DP mesure la différence de deux pressions. DP peut être utile non seulement pour mesurer la pression, mais aussi pour calculer d'autres variables de processus, telles que le niveau ou le volume, comme le montre l'application suivante.

Caviro, grande coopérative viticole italienne, devait mettre à niveau ses cuves de stockage et ses opérations d'embouteillage. Le problème qui tourmentait la cave était son incertitude quant à la quantité de vin contenue dans les récipients, ce qui rendait difficile la planification précise du remplissage. Trop peu ou trop de bouteilles signifiait une perte de temps de production et de main-d'œuvre pour sécuriser plus de bouteilles pour un lot ou pour transporter les bouteilles vides vers le stockage.

Pour faciliter la gestion de la production d'une variété très complexe de vins, SAIIE srl, un fournisseur d'automatisation avancée, a installé une gamme de capteurs dans les zones de stockage du vin. Ceux-ci comprenaient des indicateurs de niveau radar pour réservoir Siemens SITRANS LR 250, des débitmètres FM MAG 6000 avec des capteurs FM MAG 1100 SS et des transmetteurs de pression P DS III configurés dans une configuration DP pour mesurer le volume d'une cuve.

Mais il y avait un problème : les transmetteurs radar de niveau de réservoir étaient le capteur de choix, mais ils devaient être installés au sommet d'un navire, et pour une partie de ces conteneurs, la hauteur libre était insuffisante. Pour résoudre le problème d'obtenir des mesures de niveau ou de volume sans émetteur radar, SAIIE a installé au fond des cuves les transmetteurs de pression Siemens P DS III, qui surveillent en permanence la pression différentielle, tandis qu'un automate convertit ces données en mesures de volume.

Avec une mesure exacte de la capacité/du volume des cuves de stockage, Caviro garantit que chaque bouteille en verre, Tetra Pak ou sac en vrac est rempli de vin de la plus haute qualité. Le processus de remplissage est rapide, les mesures en temps réel sont donc essentielles. Désormais, les problèmes de production peuvent être résolus rapidement avant qu'ils ne deviennent un problème.

"Un système d'instrumentation et de contrôle avancé, tel que celui fourni par Siemens, nous permet de nous concentrer sur la qualité du processus", explique Domenico Dosio, responsable de la maintenance générale, des investissements et des services techniques chez Caviro.

La majorité des transmetteurs de pression électriques utilisent un diaphragme flexible comme élément de transmission de pression, explique Claudia Garcia, directrice du marketing chez Ellison Sensors Inc. (ESI). En utilisant le raccord process approprié, il est possible de produire des transmetteurs de pression encastrés sans cavités et faciles à nettoyer.

Les réglementations sanitaires exigent des finitions de surface pour les raccords de procédé qui ne collectent pas de bactéries susceptibles de contaminer le produit, explique Larry Myers, directeur des ventes internes chez Omega Engineering. Le capteur doit également être compatible CIP et pouvoir être rapidement désengagé du processus, de sorte que le port de processus puisse être bouché pour le nettoyage à la vapeur ou chimique de la cuve ou des canalisations. Myers mentionne les capteurs Omega PX409S, qui répondent à ces exigences et sont standard pour les industries agroalimentaire et pharmaceutique.

"Les changements de température dus au passage fréquent et rapide des fluides froids au NEP chaud (et vice versa) imposent une forte demande aux capteurs de pression", déclare Ola Weststrom, responsable de l'industrie agroalimentaire chez Endress+Hauser.

Les effets de la température sur la mesure doivent être minimes et avec une récupération rapide. Ceci est particulièrement important lors de l'utilisation de la pression comme capteur de niveau (pression hydrostatique) dans de petits réservoirs. Les capteurs doivent être compensés en température pour éviter le sur/sous-remplissage.

Qu'en est-il de la sécurité alimentaire ?

"Naturellement, tout ce qui est destiné à être utilisé dans la production d'aliments et de boissons doit être configuré de manière appropriée à l'aide d'un montage tri-clamp et en évitant toute surface capable de piéger le liquide ou de favoriser la croissance bactérienne", répond Lee Hamlett, chef de produit Yokogawa Corp. of America, produits sous pression NA.

Quels autres facteurs distinguent les capteurs de l'industrie alimentaire des autres industries ? Doug Greaves, responsable des produits de mesure et d'analyse d'ABB (pression), en énumère quelques-uns :

"Nous maintenons un portefeuille d'aliments et de boissons qui répond aux normes 3-A et EHEDG", déclare Paul Wagner, directeur principal des produits et du marketing d'Anderson-Negele. "Cela est principalement dû à la région dans laquelle nous vendons le produit, ainsi qu'au raccord de procédé proposé."

Ces normes sont en place pour s'assurer qu'un produit peut être nettoyé à l'intérieur ou à l'extérieur. De plus, les industries sanitaires sont confrontées à un lavage externe constant avec des produits chimiques agressifs, des changements de processus et de températures ambiantes et une manipulation brutale des instruments.

Bien que le respect des spécifications 3-A, FDA et EHEDG soit particulièrement important pour la sécurité alimentaire, les capteurs de pression sont à la fois des appareils mécaniques et électroniques, et ils doivent être protégés de leur environnement et d'une manipulation brutale, s'ils sont censés fournir un service au fil des ans.

"Nous considérons une protection IP69K comme la clé du succès", ajoute Wagner. "Des années d'expérience nous ont appris que la condensation de la vapeur d'eau provenant d'un environnement humide peut détruire les composants électroniques délicats. Pour cette raison, nous encapsulons entièrement les composants électroniques dans un enrobage et utilisons nos doubles joints toriques brevetés dans nos nouvelles conceptions. De plus, nous soudons nos membranes à l'aide d'un procédé exclusif, ce qui donne une finition de surface supérieure à 25 Ra, dépassant la norme 3-A pour la finition de surface. Nos produits proposent également des boîtiers en acier inoxydable en standard et utilisent des plastiques pour les capuchons, qui sont compatibles avec les agents nettoyants et moussants."

Pour les connecteurs électroniques, Greaves d'ABB indique que les utilisateurs ont le choix d'utiliser des connexions à filetage droit scellées par joint torique ou NPT. La protection environnementale du boîtier du transmetteur pour le lavage peut être spécifiée de IP66 à IP69K pour le nettoyage au jet de vapeur.

"Notre connexion de câblage préférée est un connecteur eurofast M12", déclare Wagner.

Ces prises à déconnexion rapide à quatre ou cinq broches offrent un service facile pour les utilisateurs et éliminent un point d'entrée d'eau direct sur le boîtier du capteur. De plus, ce connecteur se couple avec des ensembles de cordons moulés courants dans l'industrie, qu'Anderson-Negele fournit également.

"Nos conceptions visent à répondre à l'indice d'entrée IP69K dans la mesure du possible", déclare Wesstrom. "IP69K, combiné à des connexions électriques à déconnexion rapide, élimine la plupart des problèmes d'infiltration."

Un plus grand défi consiste à empêcher la condensation de se former à l'intérieur des compartiments électroniques.

"Nous résolvons cela en minimisant le volume d'air et en appliquant des membranes respirantes [Gore-Tex]", dit-il. "Cela minimise les différences de pression d'air entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier qui peuvent attirer l'humidité dans le boîtier pendant qu'il refroidit."

Le transmetteur de pression 3051 d'Emerson Rosemount est également disponible pour les applications sanitaires et hygiéniques. Wally Baker, responsable mondial du contenu de pression Rosemount chez Emerson Automation Solutions, explique que le transmetteur de pression de la version hygiénique a une précision de référence allant jusqu'à 0,065 % et une stabilité sur cinq ans. Il répond également aux normes 3-A, EHEDG et ASME-BPE ; gère les pressions manométriques et statiques absolues jusqu'à 300 psi ; et fonctionne jusqu'à zéro à cinq psi avec des capacités de réduction de gamme de 10:1, ce qui le rend adapté aux réservoirs tampons et d'équilibrage ; est livré en standard avec un 32 µin. finition de surface pour les pièces mouillées (polissage 15 µin. en option) ; résiste à la vapeur en place avec une température de traitement de 284°F pendant jusqu'à quatre heures ; et a une spécification de vibration inférieure à ± 0,1 % (IEC60770).

Pour les capteurs sanitaires, les pièces mouillées d'Omega sont en acier inoxydable 316L, qui contient du molybdène, explique Myers. Cet alliage d'acier inoxydable offre une résistance efficace contre la corrosion et les piqûres dans les solutions acides et chlorées, et est meilleur que les autres types d'inox couramment utilisés sur les transducteurs de pression.

Le 316L a une excellente compatibilité chimique avec la majorité des agents de nettoyage utilisés à faible concentration, explique Wagner.

« En fait, nous constatons plus de problèmes avec les fluides de traitement à haute teneur en chlorure, tels que la saumure de fromage ou les aliments très acides, tels que la pâte de tomate. Pour ces deux applications, nous proposons un diaphragme ou une surface de contact en Hastelloy C22.

Les capteurs de pression sanitaire ont généralement un diaphragme fin (0,005 pouce d'épaisseur) et sont souvent percés ou détruits avant que des piqûres ne soient présentes sur d'autres surfaces. Pour cette raison, Anderson-Negele propose une option pour un raccord 316L et une membrane Hastelloy.

Dans la plupart des cas, l'acier inoxydable 316L est suffisant, déclare Wesstrom d'Endress+Hauser. À l'occasion, si la teneur en sodium est élevée avec des températures élevées, il peut être nécessaire d'utiliser un Hastelloy C (ou équivalent) ou des membranes céramiques. Un plus grand défi est l'endommagement mécanique des membranes. Des dommages mécaniques peuvent être causés par une manipulation manuelle ou lorsqu'un média abrasif ou un nettoyage par impact est utilisé. Les exemples d'applications incluent la pâte de tomate, la mesure du niveau des lits de grains dans le brassage (comme dans une cuve de filtration) ou les lignes de transfert/lavage de fruits/légumes où les membranes conventionnelles sont bosselées.

Wesstrom explique que la cuve de filtration a un environnement particulièrement agressif : en 1999, une brasserie a dû remplacer les émetteurs qu'elle utilisait plusieurs fois par an en raison de dommages à la membrane.

« Le défi a été éliminé lorsque nous avons installé plusieurs capteurs à base de céramique, qui fonctionnent toujours aujourd'hui », dit-il.

Lorsque des agents de nettoyage caustiques ou acides plus agressifs sont utilisés, Emerson's Baker recommande d'utiliser le séparateur à membrane Rosemount 1199, qui se compose d'un certain nombre de matériaux exotiques pour la surface mouillée. De même, Yokogawa's Hamlett recommande l'utilisation de 329J4L SS pour améliorer la résistance aux produits chimiques CIP courants.

Comme cela a été mis en évidence dans l'application vinicole, les capteurs de pression - et dans ce cas, DP - peuvent servir une multitude d'applications, par exemple, mesurer le niveau ou le volume, le débit (dans certains cas) et la pression dans diverses applications. La plupart des transmetteurs de pression combinent la mesure de la température non seulement en tant que variable de processus supplémentaire, mais également pour compenser les mesures de pression lors de changements de température.

DP est couramment utilisé dans la mesure de niveau, explique Greaves d'ABB. La jambe de référence côté bas d'un transmetteur DP est la façon dont le niveau peut être déduit dans des réservoirs fermés. En utilisant la jambe de référence, on peut compenser la pression de la couverture d'azote ou des réservoirs sous vide, des schémas qui ont pour objectif spécifique de conserver la fraîcheur des ingrédients.

"[Dans] toutes les applications de niveau où un réservoir est fermé à l'atmosphère, un capteur DP doit être utilisé", explique Wagner d'Anderson-Negele.

Celles-ci incluraient des applications telles que les autocuiseurs, les cuves de culture de yaourt ou les cuves de fermentation. Dans ces cas, la pression de refoulement doit être mesurée pour déterminer le niveau réel.

DP peut également être utilisé pour déduire la densité en mesurant la pression exercée par un volume entre deux robinets à position fixe sur un réservoir, ajoute Greaves. Ce concept peut être étendu à la mesure du niveau d'interface de deux matériaux de densités connues différentes. Le niveau d'interface est une fonction linéaire entre ces points. Un transformateur peut utiliser ces informations pour séparer ou récupérer des matériaux.

DP peut-il circuler ? Ça dépend.

« Les configurations d'équipement spécialisées pour les applications alimentaires et de boissons excluent de nombreuses techniques d'installation industrielles traditionnelles, telles que les lignes d'impulsion conventionnelles, mais il existe des mécanismes pour résoudre le problème », explique Hamlett de Yokogawa.

L'unité EJA117J de Yokogawa est un instrument DP hygiénique pour des applications telles que la mesure de niveau de réservoir. Compte tenu de la complexité de la configuration de l'équipement nécessaire pour répondre aux exigences des aliments et des boissons, il existe d'autres techniques de mesure de débit, telles que magnétique et Coriolis, qui sont plus faciles à utiliser pour ces applications, explique Hamlett.

Les mesures de débit DP sont rarement utilisées dans l'industrie alimentaire car, dans la plupart des cas, les éléments primaires, tube de Pitot et plaques à orifice, ne sont pas de bonnes conceptions hygiéniques, ajoute Wesstrom. D'autre part, les services publics, tels que le gaz naturel et le débit d'air, peuvent être mesurés avec des méthodes DP.

Néanmoins, Greaves d'ABB affirme que DP peut fournir une solution de mesure de débit dans certaines applications.

"Grâce aux éléments de débit ABB, nos transmetteurs DP peuvent fournir des solutions de débit pour les fluides visqueux non newtoniens, les processus à température extrême et les huiles et additifs à faible conductivité... De plus, la sortie calculée 266 multivariable d'ABB est capable d'un débit massique compensé dynamiquement pour les gaz, les liquides et la vapeur ; le débit volumétrique standard pour les gaz ; et le flux de chaleur et d'énergie."

Le transmetteur Rosemount 3051SMV MultiVariable a des options pour mesurer la DP et la pression statique, et il peut être équipé d'un capteur de température, explique Baker. Lorsqu'il est configuré avec les trois et utilisé avec un élément de débit primaire, il peut fournir des calculs de débit massique et énergétique entièrement compensés, utiles pour les applications liquides et gazeuses.

L'instrumentation de jauge et de pression absolue peut être trouvée dans les évaporateurs, les récipients de mélange, les échangeurs de chaleur, la surveillance des pompes, les pasteurisateurs, les chambres d'autoclave, les systèmes de nettoyage et les systèmes auxiliaires, tels que la centrale à vapeur et la gestion, les systèmes de réfrigération, le traitement de l'eau, l'alimentation en azote et la surveillance du vide.

Dans le cas de récipients ouverts, où la pression atmosphérique agit sur la tête du liquide, un capteur de pression manométrique peut être utilisé, explique Garcia d'ESI. Pour les cuves fermées, deux capteurs sont nécessaires. Ces mesures peuvent être effectuées avec deux transmetteurs de pression manométrique séparés ou un transmetteur DP (comme indiqué ci-dessus).

"La majorité des applications agroalimentaires utilisent une jauge, autrement connue sous le nom de mesure de pression relative", explique Wagner. Ceci est particulièrement critique dans les applications de niveau où la pression atmosphérique sur le liquide doit être prise en compte. "Nous utilisons fréquemment des mesures absolues dans les applications de lyophilisation où le vide doit être mesuré par rapport à une norme absolue, et non à l'atmosphère environnante."

De nombreux transducteurs de pression, tels que le PX409S d'Omega, sont disponibles dans les plages de pression absolue et relative.

"Sont également disponibles des gammes composées, des gammes de vide et des gammes barométriques pour des applications spéciales", explique Myers d'Omega. "Les réservoirs de traitement pour le mélange de produits, le stockage de l'eau ou le brassage sont des exemples d'applications de pression relative."

Ces appareils ont également été utilisés dans des applications de type bouillie, notamment la production de beurre de cacahuète, de pâte à biscuits et de salsa. Une application difficile que Wagner a vue concerne les lignes de mesure de pression avec des produits très visqueux comme le beurre de cacahuète.

"Dans ces applications, l'utilisation d'un raccord hygiénique tri-clamp traditionnel se traduit par une poche située à l'extérieur de la turbulente de la branche principale. Nous proposons une connexion qui élimine la branche appelée CPM [mesure de processus propre]. Cela amène le diaphragme directement en ligne avec le flux de processus, éliminant ainsi tout problème de nettoyage."

Cette connexion a été conçue à l'origine pour l'industrie biotechnologique, mais a trouvé une utilisation dans l'industrie alimentaire fluide.

Enfin, la plupart des appareils de pression prennent en charge des protocoles numériques tels que HART, FOUNDATION Fieldbus et Profibus PA, HART étant le plus couramment utilisé, selon Weststrom. Alors que les transmetteurs de pression sont beaucoup plus fixes que les dispositifs de surveillance de la température, de nombreux fournisseurs de capteurs proposent plusieurs options sans fil. Les séries WPS et IS-WPS d'Honeywell utilisent la norme IEEE 802.15.4 WPAN, selon Pranjit Gogoi, ingénieur, Honeywell Safety and Productivity Solutions. La couche d'application du protocole a été modifiée pour la rendre propriétaire, garantissant qu'il n'y aura pas de diaphonie avec d'autres appareils sans fil fonctionnant dans la même zone et la même gamme de fréquences.

Pour plus d'informations:

Larry Myers, Omega Engineering, 888-826-6342, [email protected], www.omega.com

Ola Westström, Endress+Hauser, États-Unis, 317-535-2134, [email protected], www.us.endress.com

Lee Hamlet, Yokogawa Corp. of America, 678-423-2556, [email protected], www.yokogawa.com/us

Doug Greaves, ABB, 215-674-6000,[email protected], http://new.abb.com/products/measurement-products/food-and-beverage

Paul Wagner, Anderson-Negele, 518-922-5315, [email protected], www.anderson-negele.com

Wally Boulanger, Emerson Automation Solutions, 800-999-9307, [email protected], www.emerson.com/rosemount-3051HT

Pranjit Gogoi, Solutions de sécurité et de productivité Honeywell, 800-537-6945, [email protected], www.honeywell.com

Claudia García, Ellison Sensors Inc., 561-989-8540, [email protected], www.esi-transducer.com