Des systèmes de mesure de déplacement dans la production d’énergie renouvelable

Les systèmes de mesure de déplacement magnétorestrictifs sont utilisés dans les unités de réglage hydraulique du pas d’hélice des éoliennes, par exemple. Un réglage rapide et précis de l’angle des pales du rotor sert non seulement à augmenter le rendement et la sécurité des éoliennes, mais il permet de garantir un fonctionnement optimal et stable de celles-ci, quelle que soit la force du vent. Il va de soi que ces systèmes de mesure de déplacement doivent être extrêmement robustes; ils doivent également résister aux vibrations et aux chocs et être insensibles aux variations de température, ainsi qu’à l’humidité. Les systèmes de mesure de déplacement Micropulse de la société Balluff satisfont toutes ces exigences.

 

 

Haute précision et fiabilité pour une production d’énergie optimale

Intégrés dans les vérins, ces systèmes mesurent en continu le réglage du pas d’hélice actuel au µm près, selon un cycle de l’ordre de quelques ms. Cette saisie des données extrêmement précise et fiable est une condition indispensable pour que les pales du rotor puissent être ramenées dans une position sûre en cas de nécessité, par exemple. Pour augmenter le rendement, rallonger les intervalles de maintenance et diminuer les temps d’immobilisation, les systèmes sans contact et à entraînement direct, sont aujourd’hui une nécessité. En outre, une nouvelle approche pragmatique intervient avec des systèmes redondants qui, avec des systèmes de mesure de déplacement équipés de brides identiques, sont faciles à réaliser. Le postéquipement d’installations existantes ne pose pas de problème. La société Balluff propose les capteurs de déplacement Micropulse avec double ou triple redondance.

Ces systèmes de mesure de déplacement reposent sur la technologie éprouvée de mesure de déplacement magnétostrictive. Ils fonctionnent ainsi en absolu et sans contact, par conséquent sans usure. Ils conviennent pour la mesure fiable, précise et dynamique de la position d’axes linéaires ou, intégrés dans un vérin hydraulique, pour déterminer la position exacte du piston. Le boîtier hermétique et étanche permet d’obtenir les niveaux élevés de protection IP67/IP68. Les caractéristiques techniques annoncent des plages de mesure nominales jusqu’à 7600 mm et une résolution d’un µm. Le choix d’interfaces particulièrement riche va des interfaces analogiques en courant et en tension aux systèmes de bus de terrain et Ethernet du marché, en passant par les interfaces start/stop numériques. Des variantes à connecteur et à câble sont également disponibles.

 

 

Principe de fonctionnement

Le cœur de chaque capteur de déplacement magnétorestrictif est l’élément appelé guide d’onde. Ce dernier n’est rien d’autre qu’un petit tube métallique réalisé en matière magnétorestrictive - en général un alliage de nickel et de fer - dans lequel passe un fil en cuivre. Une impulsion de courant est envoyée à celui-ci lors du processus de mesure. Elle induit un champ magnétique circulaire qui est concentré grâce aux propriétés de basse coercibilité du guide d’onde. Un aimant permanent, fixé directement sur la partie mobile à mesurer, sert de capteur de position passif et indique le point de mesure sans contact et sans apport d’énergie.

A l’endroit où les deux champs magnétiques sont perpendiculaires, la magnétorestriction crée une déformation élastique minimale. Elle génère une onde qui s’élargit des deux côtés à une vitesse de 2,850 m/s. L’onde n’est pas souhaitée à une extrémité du guide d’onde et elle est amortie par frottement pendant qu’à l’autre extrémité du guide d’onde, elle est de nouveau convertie en une impulsion de courant par une bobine d’induction, le détecteur. L’électronique d’évaluation détermine avec une grande précision la position à partir de la durée de parcours de cette onde.

 

 

Amener le Soleil au point de combustion

Un autre exemple typique d’utilisation des capteurs pour l’augmentation du rendement se trouve dans les centrales thermiques à tour solaire. Pour atteindre un rendement aussi élevé que possible, le guidage des miroirs - appelés également héliostats - doit être précis, individuel et répétitif. En outre, les héliostats doivent être ramenés dans une position sûre en cas de nécessité lors d’une tempête.

Les systèmes de mesure de déplacement à piste magnétique BML de la société Balluff mesurent pour cela la position en azimut et élévation directement au niveau des axes de rotation des héliostats. Avec une résolution de 1 à 10 µm et une précision du système jusqu’à ±10 µm, les systèmes BML sont prédestinés à cette utilisation. Comme ils fonctionnent sans contact et, par conséquent, sans usure et qu’ils ne demandent pratiquement pas d’entretien, ils permettent de garantir une exploitation optimale de l’énergie.

La distance des différents héliostats (jusqu’à plusieurs milliers en tout) jusqu’au foyer d’une chambre de combustion, le récepteur, qui se trouve sur une tour peut aller jusqu’à 1000 mètres. Les différents héliostats suivent individuellement la course du Soleil en continu, grâce à une commande par ordinateur, car la moindre imprécision dans le guidage ou dans l’alignement des héliostats conduit à une diminution substantielle du rendement de l’installation.

Les systèmes de mesure de déplacement à piste magnétique BML, qui sont déjà utilisés depuis plusieurs années dans certaines installations, ne satisfont pas uniquement ces exigences élevées de précision et de fiabilité, mais aussi celles d’un environnement inhospitalier. En règle générale, ces endroits se caractérisent par un rayonnement solaire puissant, continu et stable, comme par exemple, sur les côtes ou dans des terres de type steppe, avec des températures élevées et changeantes, de l’humidité, une formation de rosée, un rayonnement ultraviolet, ainsi que des contraintes mécaniques suite à l’usure par le sable.

 

 

Le principe de fonctionnement du système de mesure BML

Un système de mesure BML typique comprend une tête de capteur et un corps de mesure magnétique codé en forme d’anneau ou de bande flexible. L’ensemble de l’électronique, ainsi que les éléments de capteur sensibles au champ magnétique sont intégrés dans le boîtier compact de la tête du capteur. Pour la mesure, la tête du capteur passe à une distance de deux mm au-dessus du corps de mesure à polarité alternée et bridé directement sur les axes de rotation des héliostats. Les lignes de champ entre les pôles nord et sud forment un champ vectoriel tridimensionnel dont la période correspond au double de la largeur des pôles du corps de mesure. Les deux éléments de capteur de champ magnétique de la tête de capteur mesurent soit les composantes du vecteur du champ magnétique dans la direction de sa sensibilité, soit l’angle du champ magnétique vectoriel par rapport à la direction du déplacement. Une information sur le chemin parcouru s’obtient par comptage des cycles magnétiques.

 

 

Des composants soumis au test HALT

La sécurité et la fiabilité sont des critères de qualité décisifs pour les installations solaires ou éoliennes. Seules les installations, pouvant fonctionner pratiquement sans entretien et qui offrent une grande disponibilité, permettent d’atteindre les objectifs de rendement énergétique espérés. Pour les fabricants qui se livrent une concurrence acharnée, l’utilisation de composants pouvant prétendre fonctionner sans problème pendant toute leur durée de vie dans les installations de production d’énergie, est un avantage. La plupart du temps, les contrôles conventionnels pour la qualification des produits dans leur domaine de spécification ne suffisent plus. Par conséquent, la société Balluff soumet régulièrement ses capteurs et ses systèmes de mesure de déplacement au test HALT (Highly Accelerated Life Test) dans sa propre installation de contrôle.

 

 

Les composants sont soumis pendant trois à cinq jours à un «processus de vieillissement» accéléré et toutes les contraintes que le capteur peut subir pendant sa durée de vie sont simulées en un temps très court. Les éventuels points faibles peuvent ainsi être détectés pendant la période de développement et corrigés. Il en résulte des systèmes de mesure de déplacement d’une qualité et d’une fiabilité particulières, qui peuvent fonctionner avec la même sécurité et la même précision pendant des années. Leur mise en œuvre permet d’accroître durablement la disponibilité des installations, d’éviter des coûts d’entretien et de réparation et, par conséquent, d’obtenir un rendement considérablement plus élevé.

Pour le processus de test HALT, la société Balluff GmbH a reçu le prix Control 2009 de l’innovation et de la qualité du Baden-Württemberg.