Instrumentation c Ompresseur

Instrumentation des compresseurs

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SOMMAIRE

INTRODUCTION I- Recherche du système d’instrumentation 1- Elaboration d’un schéma du compresseur avec son instrumentation 2- Explication du schéma II- Les actionneurs et capteurs mis en jeu 1- Les différents actionneurs du circuit 2- Les différents capteurs du circuit III- Les systèmes de transmission et de régulation 1- Transmission du signal conditionné 2- Boucle de régulation IV- L’instrumentation des autres compresseurs 1- Les capteurs 2- La transmission du signal et la régulation CONCLUSION

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INTRODUCTION Le compresseur est une machine volumétrique destinée à augmenter la pression d’un fluide et est entrainée par la rotation d’un moteur en amont. Outre la fabrication d’air comprimé, le compresseur s’utilise pour le transport des matières pulvérulentes, la réalisation de vides et de dépression, l’assainissement des locaux par ventilation ou climatisation ainsi que pour le brassage de bassin de fermentation. Il existe deux grandes catégories de compresseurs, selon leur mouvement de compression : rotatif ou alternatif. Même si le principe : aspiration, compression puis échappement leur est en commun on trouve dans l’industrie un large panel de choix de compresseurs. Les critères de choix d’un compresseur se portant sur la qualité, la propreté, la nocivité du gaz, sur le débit et le taux de compression possible. Parmi les compresseurs rotatifs, le compresseur à palettes, fonctionnant à de très faibles vitesses de rotations (1450 tr/min environ) possède une technologie éprouvée : le rotor comporte un certain nombre de fentes sur toute sa longueur où se logent des palettes coulissantes permettant la compression. Ce compresseur plutôt utilisé pour la dentisterie, l’imprimerie ou encore les machines outils, peut atteindre une pression de 7 à 8 bars. Le compresseur à spirales, ou compresseur scroll emploie 2 spirales intercalées comme des palettes pour compresser le fluide. Quant au compresseur type G60 comportant 4 spirales fixes, 4 mobiles et un arbre excentrique, il a été lancé par Volkswagen sur des nouveaux modèles de voitures en 1980 mais sert aussi dans l’industrie pour comprimer de l’air à 8 voire 10 bars. L’air en sorti est pur du fait que la chambre de compression ne soit pas lubrifiée. Compressant par diminution de volume également et mouvement rotatif, le compresseur à vis possède 2 vis engrenant l’une dans l’autre. Existant en version lubrifiée (avec refroidissement d’huile) et non lubrifiée, son utilisation est courante car est facile à installer et possède un bas niveau de bruit. On peut le trouver dans les applications marines et sur les TGV. Le compresseur à lobes est constitué d’un rotor comportant 2 lobes en forme de huit s’imbriquant l’un dans l’autre. Cependant, il n’y a aucun contact entre les lobes (léger jeu entre) donc aucune lubrification nécessaire et ainsi un air exempt d’impureté. Ce type de compresseur est notamment utilisé par Mercedes ou Jaguar pour suralimenter les moteurs de leurs voitures mais avec des lobes à 3 dents. Le compresseur à turbine, lui, agit principalement par accélération d’un flux de fluide et n’est donc pas forcément indiqué pour fournir d’importantes pressions en sorties, sauf à multiplier les étages de compression de compresseurs comme dans les turbines à gaz ou les turboréacteurs. Monté avec une turbine, le compresseur à turbine s’appelle un turbocompresseur. La turbine, placée dans les gaz d’échappement d’un moteur à explosion entraine le compresseur qui augmente la pression de l’air admis dans le moteur et donc la puissance de ce dernier. Le compresseur à anneaux liquide utilise un liquide pour assurer l’étanchéité entre le rotor et le stator, ce liquide est plaqué contre la périphérie du stator par la force centrifuge reçue d’une roue à ailettes et forme un anneau. L’alimentation du liquide peut s’effectuer avec ou sans recyclage partiel ou total. Ce compresseur a la capacité de véhiculer presque tous les types de gaz et vapeurs.

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Concernant les compresseurs dits alternatifs, le compresseur à membrane utilise la déformation élastique d’une membrane pour assurer l’aspiration et le refoulement du gaz. Un système hydraulique permet d’assurer la flexion de la membrane : un piston, entrainé par un système bielle-manivelle, coulisse dans un cylindre et agit sur le fluide hydraulique qui transmet son mouvement oscillatoire à la membrane. Cette dernière assure une étanchéité statique côté gaz procédé, permettant une utilisation pour des gaz nocifs ou dangereux. Le compresseur à piston, enfin, est le compresseur le plus utilisé et le plus connu. Un système bielle-manivelle entraine le coulissement d’une crosse et du piston, pouvant être simple ou double effet, étagé ou différentiel et des clapets assurent l’aspiration et l’échappement du gaz. Ce compresseur peut comporter plusieurs étages de compression, augmentant ainsi le taux de compression. Les applications dans l’industrie sont variées. Quelques principes de fonctionnement de compresseurs :

Compresseur à palettes

Compresseur à spirales

Compresseur à lobes

Compresseur à anneau liquide

Compresseur à membrane

Compresseur à piston

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Ainsi, la grande diversité des compresseurs implique pour chacun un système d’instrumentation particulier. On choisit donc de s’attarder en détail sur le système d’instrumentation d’un compresseur à piston, étant le compresseur le plus courant et plus particulièrement le compresseur alternatif multi étagé d’ATLAS COPCO, utilisé dans l’alimentaire. De plus, le système d’instrumentation décrit sera des plus fiable puisque le plan de circulation des fluides est fourni par une grande entreprise (et a été étudié dans le cadre de cette UEC). Bien sûr on essayera de généraliser ce système pour les autres compresseurs.

Compresseur multi-étagé à pistons ATLAS-COPCO

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I- RECHERCHE DU SYSTEME D’INSTRUMENTATION 1- Elaboration d’un schéma de fonctionnement du compresseur avec son instrumentation Après lecture puis compréhension du plan de circulation des fluides, donné par la société ATLAS-COPCO, il faut établir un schéma plus simple afin de mieux cibler les capteurs et actionneurs présents sur le compresseur, leur fonctionnement ainsi que les réseaux de communication présents.

S

S Commande pneumatique de

S S

Armoire électriqu e (process Commande électrique de régulation

Schéma simplifié

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2- Explication du schéma D’après le schéma ci-dessus élaboré à partir du plan de circulation des fluides, à l’aspiration, juste derrière le filtre est disposé un indicateur, détectant et prévenant de l’encrassement du filtre. Un silencieux est monté juste derrière puis l’air passe dans le premier étage de compression. En sortie de compression on trouve un transmetteur de température à l’intérieur d’un puits thermique envoyant un signal électrique au tableau d’affichage et pouvant déclencher un arrêt de sécurité du système si la température atteint une valeur limite. L’air poursuit son circuit dans un refroidisseur puis dans un premier séparateur. Ce dernier est équipé d’une électrovanne temporisée par un timer électrique afin de purger l’eau qui s’est condensée, et d’un relai de calcul. Le refroidisseur comporte aussi une vanne manuelle mais également un indicateur de pression placé après une deuxième vanne manuelle et une soupape de sureté, laissant échapper le gaz si la pression atteint une certaine valeur. Le deuxième étage de compression est équipé de la même façon que le premier. Il en est de même pour le troisième étage de compression, à l’exception d’un transmetteur de pression ajouté sur le dernier séparateur, affichant la pression par signal électrique (comme les transmetteurs de température avec la température) et pouvant entrainer le démarrage ou l’arrêt du système. Un signal électrique est envoyé de ce transmetteur de pression vers une électrovanne de décharge équipée d’un relais de calcul pour réguler le système. Un deuxième indicateur de pression est monté sur ce dernier séparateur et alimente l’électrovanne de décharge par un réservoir muni d’une soupape de sureté ainsi qu’une purge automatique. En fait lorsque le circuit est en surpression, l’électrovanne de décharge est commandée et y envoi un signal pneumatique qui déclenche l’ouverture des clapets d’admission de chaque étage de compression à l’aide de vérins pneumatiques. On trouve sur ce circuit auxiliaire une soupape pneumatique commandée et un silencieux d’échappement sur le deuxième étage de compression et sur le deuxième séparateur. Enfin, un capteur de pression d’huile est placé sur le carter afin de surveiller celle-ci et deux capteurs de température mesurent la température du fluide de refroidissement en entrée et en sortie de circuit. Finalement, sur ce compresseur, on remarque qu’on peut avoir une indication par affichage numérique de température après chaque étage de compression et de pression en sortie. On peut lire localement la pression après chaque étage de compression, la pression de l’huile et la température du fluide de refroidissement. Les temporisations envoient des signaux électriques aux électrovannes et le transmetteur de pression commande l’électrovanne de décharge qui régule le système. Un circuit auxiliaire pneumatique assure donc la régulation de la pression dans les étages de compression. Des soupapes de sureté ainsi que des arrêts automatiques pouvant être déclenchés par les transmetteurs assurent la sécurité du système. Il y a donc un circuit d’air, un circuit électrique et un circuit pneumatique.

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II- LES ACTIONNEURS ET CAPTEURS MIS EN JEU 1- Les différents actionneurs du circuit Sur le plan de circulation des fluides on a pu observer des actionneurs agissant sur le fonctionnement du système. - Vanne manuelle C’est une vanne ¼ de tour. Manuellement on peut actionner l’ouverture ou la fermeture du circuit par rotation d’un boisseau sphérique. En cas d’urgence on peut l’actionner, en cas de maintenance ou de régulation manuelle. - Vanne à commande pneumatique La vanne est commandée pneumatiquement et permet d’autoriser ou d’interrompre la circulation d’un fluide. Elle est de type tout ou rien. Elle est utilisée pour la sécurité du système. - Soupape de sureté Simplement montée sur un ressort, cette soupape laisse échapper le fluide lorsque la pression est devenue trop élevée. Le ressort est en effet taré pour résister à une certaine pression. Cette soupape protège le circuit d’une surpression ou d’une dépression, c’est une sécurité et régule ainsi la pression. - Vérin pneumatique C’est un actionneur linéaire dans lequel l'énergie de l'air comprimé est transformée en travail mécanique. Il est utilisé pour réguler la pression car ouvre les clapets du compresseur. - Electrovanne temporisée Il s’agit d’une vanne commandée par un actionneur électrique et pilotée par un relais temporisé. On règle le temps de temporisation sur le relais et elle s’ouvre le temps commandé. Elle sert donc à purger le liquide, d’assurer le bon fonctionnement du séparateur. - Electrovanne de décharge Cette vanne est pilotée et est à ouverture proportionnelle. Recevant un signal normalisé entre 4 et 20 mA, elle s’ouvre proportionnellement à cette intensité, 4 mA représentant la fermeture et 20mA le maximum donc l’ouverture totale. C’est une vanne ayant pour rôle de renvoyer un signal pneumatique à un actionneur pour réguler le circuit en air.

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2- Les différents capteurs du circuit Il s’agit à présent de décrire le fonctionnement des capteurs pouvant se trouver dans le système d’instrumentation d’un compresseur. - Indicateur d’encrassement du filtre Placé dans une gaine d’air ou de ventilation l’indicateur d’encrassement de filtre attire l’attention de l’utilisateur sur la nécessité de nettoyer ou de changer le filtre à air. C’est un appareil à pression différentielle qui fait apparaître un volet rouge (qui apparaît à partir d’une certaine différence de pression) pour indiquer l’obstruction du filtre. Il est monté pour détecter la pression à l’aval du filtre. L’apparition du volet établit un contact électrique utilisable pour un signal lumineux. Le réarmement manuel du volet est prévu par rotation d’un bouton rouge. La sensibilité de l’appareil est réglable. Ce capteur est utile à la maintenance du filtre du circuit. - Capteur de pression d’huile Il s’agit d’une sonde se déclenchant à partir d’une certaine valeur de pression qui lui est propre. C’est un interrupteur fermé quand la pression minimale n’est pas atteinte et ouvert dans le cas contraire (système de ressort). Ce capteur contribue à la maintenance du système en huile. - Indicateur de pression : Manomètre Le plus utilisé en industrie est le manomètre à tube de Bourdon. L’indication de la pression est donnée par la déformation d’un tube enroulé suivant un arc de cercle et relié par une biellette à l’aiguille indicatrice. L’affichage est local permettant ainsi d’avoir une information sur la pression au moment de la maintenance du séparateur. On peut également employer des manomètres à membrane ou à liquide mais ne sont qu’informatifs. - Capteur de température : Sonde PT 100 Ce capteur est basé sur l’effet de la variation de la résistivité du matériau le constituant suivant la température. La thermorésistance à base de platine délivrant un signal de sortie proportionnel à la température mesurée. Ces capteurs de température donnent une information locale. - Transmetteur de pression Dispositif qui convertit le signal de sortie d'un capteur de pression piézoélectrique, qui est le plus utilisé en industrie dans ce cas, en un signal électrique linéaire. En surface du matériau piézoélectrique sous l’effet de déformations macroscopiques apparaissent des charges électriques. Le signal est conditionné dans la gamme 4 à 20mA (celle de l’industrie). Ce transmetteur fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande et permet l’affichage de la pression sur un afficheur, aide à la régulation de celle-ci et à la sécurité du système. - Transmetteur de température Dispositif qui convertit le signal de sortie d'un capteur thermique en un signal électrique linéaire (4 à 20 mA). Le capteur est une résistance qui varie en 9

fonction de la température, il y a donc des variations d’intensité créées. Le montage se fait avec une alimentation en courant et des fils (montages à 3, 4, 6 fils). Le conditionneur est intégré. Ce transmetteur fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande, l’affichage est centralisé et peut entrainer un arrêt de sécurité du système.

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III- LE SYSTEMES DE TRANSMISSION ET DE REGULATION 1- Transmission du signal conditionné La transmission du signal conditionné, issu des transmetteurs, est analogique en courant dans la gamme 4 à 20 mA, vu les faibles distances. La transmission en courant est la plus fiable car il n’y a pas de chute de courant, contrairement à une transmission en tension où des chutes de tension dans les câbles ont lieu. Cependant cette transmission exige des sources de courant. La gamme 4-20 mA, la plus courante, permet de différencier l’absence de signal (0) du zéro d’échelle (4 mA). Il existe des transmissions à 2, 3 ou 4 fils. Le signal conditionné du transmetteur arrive dans un automate programmable situé dans l’armoire électrique. Cet automate est constitué de cartes d’acquisition. Il y a autant de cartes que de températures ou de pression à afficher.

2- Boucle de régulation Ici la régulation s’effectue par variation du volume d’air comprimé par les pistons, par soulèvement des clapets d’admission commandés par des vérins pneumatiques et peut être réglable au niveau de l’automate programmable. Le transmetteur de pression mesure et renvoie la valeur de la pression en sortie par signal électrique conditionné, qui après être traité par l’automate, est renvoyé sur la soupape de décharge qui laissera passer un signal pneumatique proportionnel à l’intensité du courant reçu, vers les vérins qui agiront selon l’intensité d’air reçu. La régulation est numérique, le signal électrique des transmetteurs arrive dans les cartes d’acquisition de l’automate programmable. Ces cartes d’acquisition sont composées de filtres et d’un convertisseur analogique-numérique permettant le traitement des signaux et l’affichage par le micro processeur. Un programme est rentré en mémoire de l’automate programmable, qui par une carte de commande contenant un convertisseur numériqueanalogique renvoie le signal à l’électrovanne de décharge. Le système est asservi.

Boucle de régulation du compresseur

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IV- INSTRUMENTATION DES AUTRES COMPRESSEURS 1- Les capteurs Pour les autres compresseurs, l’instrumentation est quasi-similaire. En effet, les mesures de pression et températures sont les plus importantes, pour des raisons de sécurité et de régulation (confirmation par un ingénieur d’Air Liquide spécialiste des compresseurs à vis). On trouvera donc toujours des sondes de températures, des manomètres ainsi que des transmetteurs pour afficher de façon centralisée ou pour réguler. Bien sûr, si le compresseur n’utilise pas de lubrification il n’y pas de capteur de pression d’huile et si le compresseur est refroidi à l’air (cas des petits compresseurs) il n’y pas de capteurs de température pour le fluide de refroidissement. Idem s’il y a un filtre ou non. On peut toujours ajouter des capteurs d’ordre indicatif ou pour faire des calculs spécifiques sur le compresseur ou des capteurs intelligents, cela dépend des moyens utilisés et de la précision des mesures exigée (fidélité, justesse, précision).

2- Transmission de signal et régulation La transmission du signal est la plupart du temps analogique, sauf par exemple sur les turbocompresseurs dans l’automobile où sur les modèles les plus récents, la transmission est numérique pour économiser du câblage. La transmission sans fils existe aussi par Wifi par exemple. Le microprocesseur peut envoyer l’information sur le réseau local industriel ou sur Intranet/Internet. Un bus peut relier les instruments à un processeur, dans le cas d’une grande chaine de mesure et s’avère plus fiable qu’un réseau Ethernet. L’écran d’affichage sert de supervision pour voir et contrôler le process. La régulation automatique peut quant à elle être analogique pour une boucle simple, et non numérique. La régulation peut aussi s’effectuer par une vanne tout ou rien à l’aspiration ou encore par variation électronique de vitesse. Cette méthode est un système de contrôle éprouvé et approuvé par son efficacité énergétique, sa souplesse et sa robustesse. Les gains énergétiques sont importants. Cette méthode consiste à installer un variateur de vitesse avant le moteur et faire ainsi varier sa vitesse donc le débit du compresseur. Le variateur de vitesse est un convertisseur de fréquence (courant alternatif transformé en continu puis en alternatif par modulation en largeur d’impulsion).

Principe de la VEV

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CONCLUSION Finalement, les compresseurs possèdent un système d’instrumentation contenant une partie informative, de sécurité et une partie régulation. Le circuit de fluide peut être accompagné d’un circuit électrique et pneumatique. Certains capteurs commandent des actionneurs. On peut superviser le circuit d’un poste informatique et entrer les données nécessaires à des calculs ou à la régulation. La diversité des compresseurs est grande, chaque constructeur choisit le système d’instrumentation le mieux adapté.

Système instrumenté

BIBLIOGRAPHIE : - Plan de circulation des fluides du compresseur alternatif à pistons multi étagé d’ATLAS COPCO - Techniques de l’Ingénieur - Cours capteurs 5D11 parties 1 et 2 - Divers sites Internet

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