Quelle instrumentation in-line (couple, température, humidité) est pertinente pour la surveillance du procédé dans les mélangeurs ?
Pour la surveillance de procédé lors du mélange de poudres, le couple ou la puissance absorbée, la température et l'humidité sont les grandeurs de mesure les plus importantes. Elles fournissent toutefois des informations différentes et doivent être interprétées de façon spécifique au produit. Aucune de ces grandeurs ne prouve à elle seule une qualité de mélange suffisante. Pour la détermination de l'homogénéité en particulier, des corrélations validées et spécifiques au produit ou des procédés PAT complémentaires sont nécessaires.
Le couple ou la puissance absorbée de l'entraînement de mélange est un signal indirect adapté à la pratique. Il peut indiquer des changements du comportement d'écoulement, du compactage, de la tendance à l'adhérence ou du taux de remplissage. Lors des procédés d'humidification, de granulation ou de désagglomération, une évolution caractéristique du couple peut indiquer un état de procédé défini. Un plateau du couple ne signale toutefois pas automatiquement que chaque composant de la poudre est réparti de façon homogène. Ces signaux conviennent particulièrement à la protection de l'installation, à la détection de blocages, de surcharges ou d'états de produit inhabituels. La mesure peut s'effectuer directement sur l'arbre ou indirectement via la puissance active absorbée par le moteur.
Avec les poudres sèches, la mesure de température est pertinente avant tout pour la surveillance de la chaleur de frottement, des processus de thermorégulation, du séchage et des réactions critiques pour la sécurité. Des capteurs Pt100 ou des thermocouples peuvent être installés dans la paroi de la cuve, dans la zone produit ou dans l'enveloppe de thermorégulation. Le point de mesure doit être choisi avec soin : une température de paroi n'est pas automatiquement identique à la température de l'ensemble du lit de produit. Plusieurs points de mesure peuvent être judicieux lorsque des gradients de température, un échauffement local ou un transfert de chaleur inégal sont attendus.
La mesure d'humidité est particulièrement importante lorsque l'humidité influence la coulabilité, le comportement à la poussière, l'agglomération, la stabilité au stockage ou la qualité du produit final. Cela vaut par exemple pour la granulation, l'humidification, le séchage et l'enrobage. Les systèmes de mesure d'humidité spectroscopique en ligne (NIR) peuvent saisir l'humidité, et avec un étalonnage approprié également d'autres caractéristiques de qualité, rapidement et sans contact. La mesure porte toutefois sur la zone que le capteur atteint optiquement. C'est pourquoi la fenêtre de mesure, les adhérences, le mouvement des particules et la représentativité du point de mesure doivent être pris en compte. L'instrumentation NIR est également utilisée pour surveiller les mélanges de poudres et pour déterminer un point final de mélange.
Les capteurs d'humidité à micro-ondes ou capacitifs peuvent constituer une alternative selon l'application. Les mesures à micro-ondes saisissent des volumes de produit plus importants que les mesures optiques de surface, mais nécessitent elles aussi un étalonnage spécifique au produit. Les capteurs capacitifs sont économiques et robustes, mais réagissent souvent plus fortement aux changements de recette, de densité ou de température.
Les grandeurs de mesure complémentaires utiles sont le niveau de remplissage, la vitesse de rotation de l'outil de mélange, la pression, le vide, la teneur résiduelle en oxygène, le débit de gaz, les vibrations, les températures des paliers et des joints. Pour les produits présentant un risque d'explosion de poussière, les capteurs, les traversées de câbles et les raccords de procédé doivent être conformes à l'ATEX ou à l'IECEx. Pour les poudres abrasives, des fenêtres de capteur résistantes à l'usure et une position d'implantation protégée sont en outre importantes.
Une mesure directe en ligne de la granulométrie dans la chambre de mélange est techniquement complexe pour les poudres sèches et n'est pas standard. Elle est plutôt utilisée dans des tronçons de mesure spéciaux ou des conduites de convoyage en aval. La conductivité et le pH sont en revanche des grandeurs de mesure typiques pour les systèmes liquides et ne sont pas pertinents pour les procédés de mélange à sec purs.
Les données de procédé sont saisies via la commande de la machine et peuvent être transmises à un système de conduite de procédé ou à des systèmes de conduite et de production supérieurs. Les interfaces courantes sont par exemple 4–20 mA, HART, IO-Link ou des standards de communication et de bus de terrain normalisés. Cela permet de réaliser des protocoles de charge, des courbes de tendance, une surveillance de valeurs limites, des alarmes et une maintenance orientée état.
En résumé, la combinaison du couple ou de la puissance absorbée, de la température et de l'humidité fournit une image solide du procédé de poudre. Le couple montre les changements mécaniques, la température saisit le dégagement de chaleur et l'humidité décrit une influence essentielle sur le comportement d'écoulement, l'agglomération et la stabilité du produit. Pour une détection fiable du point final, ces signaux doivent être vérifiés avec le produit d'origine, étalonnés et validés par rapport à des analyses de qualité appropriées.
Ainsi amixon® intègre l'instrumentation dans les procédés de poudre
amixon® conçoit l'instrumentation de procédé et l'automatisation de façon spécifique au projet. Les grandeurs de mesure qui rendent compte de l'état du produit, de l'apport d'énergie et de la reproductibilité de la charge sont au centre du dispositif. Les signaux typiques sont le couple ou la puissance absorbée de l'entraînement, la température du produit, l'humidité et le niveau de remplissage. Pour les procédés sous vide s'y ajoutent la pression, l'atmosphère gazeuse, l'évolution des vapeurs et la quantité de condensat.
Le couple et la puissance absorbée fournissent des indices sur le comportement d'écoulement, le compactage, les adhérences, l'humidification et les changements de l'état du produit. Lors des procédés de granulation, d'humidification ou de désagglomération, une évolution caractéristique du signal peut indiquer un état de procédé défini. Le couple seul n'est toutefois pas une preuve universelle de l'homogénéité de mélange. Sa portée est examinée et étalonnée pour chaque recette avec le produit d'origine.
La surveillance de la température sert au contrôle de la chaleur de frottement, de la thermorégulation, du séchage et des produits sensibles à la température. Les points de mesure peuvent être disposés dans la zone produit, dans la paroi de la cuve ou dans l'enveloppe de thermorégulation. Dans les sécheurs-mélangeurs sous vide et les réacteurs des séries VMT et AMT, la pression du système, la température du produit et l'évolution des vapeurs complètent la surveillance du procédé. La combinaison de ces grandeurs de mesure aide à évaluer l'avancement du séchage et à définir un point final de séchage reproductible.
La mesure d'humidité est particulièrement pertinente lors de l'humidification, de la granulation, de l'enrobage et du séchage. Selon le produit, des procédés de mesure NIR, à micro-ondes ou capacitifs peuvent être utilisés. Les points de mesure sont conçus de manière à fournir des signaux fiables dans les conditions réelles de mouvement des particules, de poussière, d'abrasion et d'adhérence éventuelle. Un échantillonneur intégré peut compléter les données en ligne par des prélèvements ciblés du produit.
L'instrumentation en halle d'essais
En halle d'essais amixon®, plus de 35 machines d'essai sont disponibles, selon les indications de l'entreprise, pour des essais de mélange, de traitement, de vide et de séchage. Certains de ces mélangeurs d'essai disposent d'une instrumentation spéciale dans l'outil de mélange, dans la paroi latérale de la cuve et dans la zone du fond.
Cela permet de saisir les sollicitations mécaniques locales dans le lit de produit à différentes positions et de les évaluer spatialement. Les données de mesure montrent comment les forces de contact, les sollicitations au cisaillement et l'apport d'énergie se répartissent dans la chambre de mélange. Elles aident à mieux comprendre le mouvement du produit et à identifier les zones de sollicitation critiques.
Ces connaissances sont particulièrement précieuses pour le dimensionnement des grands mélangeurs de poudres. Elles soutiennent le choix de l'outil de mélange, de la vitesse de rotation, du taux de remplissage et du temps de mélange. La montée en échelle de la machine de halle d'essais vers l'installation de production peut ainsi être validée avec le produit d'origine.
Automatisation et point final
Les appareils amixon® sont dimensionnés sur la base du cahier des charges (User Requirement Specification). L'instrumentation, les points de mesure, les fonctions de l'automate, l'enregistrement par charge et les interfaces avec le système de conduite sont définis dans le projet. Les programmes de mélange peuvent être enregistrés dans l'automate et exécutés de façon reproductible charge par charge.
La transmission des données aux systèmes SCADA, MES ou ERP s'effectue via les interfaces convenues. Des lecteurs de codes-barres peuvent compléter la documentation par charge. Dans les environnements réglementés, les exigences relatives à l'intégrité des données, aux droits d'utilisateur, à la piste d'audit et à la documentation électronique des charges peuvent être prises en compte lors de l'automatisation.
Un point final fiable ne résulte pas d'une seule valeur de capteur. amixon® détermine en halle d'essais quelle combinaison de couple, de température, d'humidité, d'évolution de la pression, de temps de mélange et d'analyse du produit est significative pour la recette concernée. Ces données d'essai constituent la base du dimensionnement de l'instrumentation et du programme de mélange de l'installation de production ultérieure.