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ORGANES DE RÉGLAGE TABLE DES MATIÈRES I. Généralités....................................................................................................................................3 I.1. Localisation dans une boucle de régulation..........................................................................3 I.2. Approche fonctionnelle.........................................................................................................3 I.3. Constitution de la vanne de réglage......................................................................................4 II. Conception des vannes à mouvement linéaire.............................................................................5 II.1. Vanne droite classique.........................................................................................................5 a) à clapet massif tourné simple siège et simple guidage.......................................................5 b) à clapet massif tourné double siège ou / et double guidage...............................................6 c) à clapet moulé en V simple (ou double siège) et simple (ou double) guidage...................7 II.2. Vanne droite à cage..............................................................................................................7 II.3. Vanne droite à membrane....................................................................................................8 II.4. Vanne d'angle.......................................................................................................................9 II.5. Vanne à glissière parallèle...................................................................................................9 II.6. Vanne 3 voies......................................................................................................................9 II.7. Vanne à clapet réduit.........................................................................................................10 II.8. Vanne à micro-débit..........................................................................................................10 III. Conception des vannes à mouvement rotatif...........................................................................10 III.1. Vanne papillon.................................................................................................................10 III.2. Vanne à boisseau sphérique..............................................................................................11 III.3. Vanne à clapet excentré....................................................................................................11 IV. Motoriser la vanne...................................................................................................................12 IV.1. Rôle de l'actionneur..........................................................................................................12 IV.2. Les énergies d'apport........................................................................................................12 IV.3. Servomoteur pneumatique...............................................................................................12 IV.4. Vaincre les résistances passives.......................................................................................13 IV.5. Choix de l'actionneur.......................................................................................................14 IV.6. Réglages du servomoteur.................................................................................................15 V. Caractéristiques intrinsèques de la vanne.................................................................................16 V.1. Capacité du robinet ...........................................................................................................16 V.2. Coefficient de débit...........................................................................................................16 V.3. Lien coefficient de débit / corps........................................................................................17 V.4. Lois intrinsèques de variation du débit..............................................................................18 V.5. Rangeabilité intrinsèque....................................................................................................18 VI. La vanne et l'écoulement..........................................................................................................19 VI.1. Maîtriser un écoulement liquide : le phénomène de cavitation........................................19 a) Description du phénomène de cavitation ........................................................................19 b) ... et ses conséquences......................................................................................................19 c) Comment prévoir le régime critique ...............................................................................20 d) ... et s'en prévenir ?...........................................................................................................20 VI.2. Maîtriser un écoulement gazeux : l'écoulement sonique.................................................21 a) Description du phénomène et ses conséquences..............................................................21 b) Comment prévoir le régime critique ...............................................................................21 VI.3. Maîtriser un écoulement biphasique................................................................................21 VI.4. Résister à l'écoulement : les vitesses limites....................................................................22 a) Vitesses limites pour liquides...........................................................................................22 b) Vitesses limites pour gaz..................................................................................................22 VI.5. Stopper l'écoulement : débit de fuite................................................................................22 VI.6. Calcul du Cv requis..........................................................................................................22 Organes de réglages

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VI.7. Tableau récapitulatif........................................................................................................23 VI.8. Tableau des facteurs FL, xT, Fd.......................................................................................24 VII. La vanne et son environnement..............................................................................................25 VII.1. Raccorder à la conduite...................................................................................................25 a) DN....................................................................................................................................25 b) Convergent / divergent.....................................................................................................25 c) Raccordement conduite / vanne voir cours « Transport des liquides » §1.2.3.................25 d) Montage............................................................................................................................25 e) Emplacement sur le circuit...............................................................................................25 VII.2. Rendre accessible............................................................................................................26 VII.3. Résister au fluide............................................................................................................26 a) Matériaux.........................................................................................................................26 b) Pression nominale PN......................................................................................................27 VII.4. Satisfaire aux normes environnementales.......................................................................27 a) Étanchéité de la vanne......................................................................................................27 b) Bruit.................................................................................................................................27 VIII. La vanne et la commande......................................................................................................28 VIII.1. Convertir le signal de commande..................................................................................28 VIII.2. Asservir la position de l'obturateur................................................................................28 VIII.3. Sécuriser le processus....................................................................................................30 a) Défaillance d'énergie1......................................................................................................30 b) Défaillance de signal........................................................................................................30 c) Maintien de la position lors d'une défaillance d'énergie...................................................30 d) Codification sur schéma TI..............................................................................................30 VIII.4. Partager le signal sur deux vannes.................................................................................31 a) Structure type « chaud / froid »........................................................................................31 b) Structure à grande rangeabilité étalée sur deux vannes en parallèle................................31 c) Deux stratégies.................................................................................................................31 IX. La vanne dans la boucle de régulation.....................................................................................32 IX.1. Gain statique de la boucle de régulation..........................................................................32 a) Rappel : le gain d'un appareil est aussi appelé sensibilité G = S = ..................................32 b) Gain global statique - Règle.............................................................................................33 c) Application de la règle.....................................................................................................33 IX.2. Caractéristique intrinsèque d'une vanne...........................................................................34 a) Définitions des termes :....................................................................................................34 b) Différentes caractéristiques..............................................................................................34 c) rangeabilité intrinsèque....................................................................................................34 IX.3. Caractéristique installée d'une vanne...............................................................................35 a) Circuit court sans pertes de charge Δpv(h=50%) Δpv(h=100%)....................................35 b) Circuit avec pertes de charge p1......................................................................................35 c) Circuit long avec pompe p1..............................................................................................35 d) Autorité............................................................................................................................36 e) Courbes des caractéristiques installées.............................................................................36 IX.4. Rangeabilité installée.......................................................................................................36 IX.5. Gain de l'obturateur de vanne...........................................................................................37 IX.6. Choix du coefficient de débit...........................................................................................37 IX.7. Choix de la caractéristique intrinsèque ; Recommandations...........................................38 a) Considérations initiales....................................................................................................38 b) Régulation de débit..........................................................................................................38 c) Régulation de niveau........................................................................................................39 d) Régulation de température...............................................................................................39 e) Régulation de pression.....................................................................................................40

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I. Généralités I.1. Localisation dans une boucle de régulation

I.2. Approche fonctionnelle

FP1 FC1 FC2 FC3 FC4

« Agir sur la grandeur réglante du processus, généralement un débit, suivant le signal de commande » « Travailler dans de bonnes conditions » « S'adapter à l'environnement » « S'adapter à l'énergie » « Recevoir le signal de commande »

Il existe deux sortes d'organe de réglage constitués comme de véritables chaînes d'énergie : Énergie auxiliaire électrique

Préactionneur variateur de fréquence

Actionneur moteur électrique

Effecteur pompe ventilateur

électrique pneumatique

relais d'asservissement servomoteur pneumatique (ou « positionneur ») ou électrique

robinet registre

C'est celui utilisant un robinet qui est le plus largement répandu et étudié ici : la vanne de réglage

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I.3. Constitution de la vanne de réglage

La vanne de réglage est constituée de deux grandes parties : • le corps 1 avec sa garniture interne 2, 3, 4, 5, 6 : restriction variable en contact avec le fluide ; Liste des différentes possibilités : Corps MVT tige Obturateur droit linéaire Siège simple ou double Clapet massif tourné à angle ou moulé en V à 3 voies à cage droit à membrane droit à glissière droit pour micro-débit réduit à aiguille droit rotatif papillon à clapet excentré à boisseau sphérique le servomoteur 8 provoquant un déplacement de tige suivant le signal de commande donné. A ces organes peuvent être ajoutés les accessoires suivants : •

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un positionneur ou relais d'asservissement en position de la tige ; un convertisseur de signal ; un potentiomètre ou système de recopie de position ; un ou deux contact de position ; une commande manuelle ; Ym VANNE DE RÉGLAGE

Y

Servomoteur

Convertisseur +

+

h

Robinet

Grandeur Réglante - débit

+

Potentiomètre

H

Contacts

Positionneur

II. Conception des vannes à mouvement linéaire II.1. Vanne droite classique a) à clapet massif tourné simple siège et simple guidage Avantages : – Construction simple ; – Étanche (ou quasiment) à la fermeture. Inconvénients : très nombreux – Frottements importants au niveau du presse-étoupe ; – Vanne ouverte, les pertes de charges sont importantes ; – La différence de pression agit sur le clapet et impose un servomoteur puissant donc coûteux à l'achat et consommateur d'énergie ; – Les effets dynamiques de l'écoulement induisent une stabilité dynamique précaire (vibrations, flexions, ...) d'où une mauvaise rangeabilité ; – Risque de bouchage avec liquide chargé ; – ... Le débit dépend de l'espace annulaire compris entre le clapet et le siège. Il suffit de profiler la forme du clapet pour donner la loi intrinsèque de la vanne

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Il existe des clapets réversibles permettant d'inverser le sens d'action du corps de vanne par montage à l'envers. Symbolisation : • clapet

•

siège

Construction : fréquente

rare

b) à clapet massif tourné double siège ou / et double guidage

•

double siège

Avantage

•

double guidage

Avantage Améliore la stabilité de la caractéristique de la vanne. Inconvénient Plus cher.

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Les forces de pression s'exerçant sur le clapet du haut ont tendance à s'annuler avec celles agissant sur le clapet du bas (tendance car les deux clapets n'ont pas la même dimension pour des raisons de montage). Inconvénient Pas d'étanchéité, le contact siège – clapet ne peut être assurer simultanément sur les deux obturateurs. Plus cher.

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c) à clapet moulé en V simple (ou double siège) et simple (ou double) guidage

Avantages : – Guidage incorporé ; – Équilibrage possible sur un clapet. Inconvénients : – Fabrication plus difficile.

II.2. Vanne droite à cage vanne ouverte

vanne fermée

Si le mouvement de l'obturateur est toujours linéaire, ce dernier ne « lamine » pas le fluide de la même manière. Le fluide arrive perpendiculairement à la cage et passe par un espace déterminé par la position d'un piston jouant le rôle de clapet à l'intérieur de la cage. Organes de réglages

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C'est la forme des trous pratiqués dans la cage qui détermine la caractéristique du corps de vanne.

Ouverture rapide

Linéaire

Égal pourcentage

Avantages : – Forces de pression équilibrées sur le piston ; – Étanche à la fermeture ; – Piston guidé directement dans l'alésage de la cage ; – Bonne rangeabilité (> 100) – Possibilité d'utiliser des cages spéciales pour les écoulements critiques (voir chapitres suivants). Inconvénients : – Corps droit non réversible ; – Ne supporte pas les fluides chargés de particules (à cause du guidage piston / cage) ; – Usinage de la cage complexe.

II.3. Vanne droite à membrane La membrane de vanne remplit les fonctions du clapet. Le débit dépend de la section libre entre la membrane et le seuil du corps de vanne. Afin de protéger la membrane, la tige de servomoteur est équipée de butées de limitation de force. Avantages : – Pour fluides très chargés ou très corrosifs ; – Corps parfaitement étanche ; – Bonne étanchéité à la fermeture. Inconvénients très nombreux dus à la membrane en élastomère : – Limité en température ; – Perte de précision pour cause de mauvais vieillissement ; – Pression maximale supportée faible ; – Caractéristique intrinsèque parfois particulière (ni linéaire, ni =%)

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II.4. Vanne d'angle Avantages par rapport à une vanne classique – Peut être installée à la place d'un coude, son montage et son démontage sont facilités ; – Écoulement moins perturbé ; – Peut utiliser des clapets massifs tournés, moulés en V, à cage.

II.5. Vanne à glissière parallèle Elles sont généralement utilisée en tant que vanne ToR. De grands diamètres sont possibles : jusqu'à 2 m.

II.6. Vanne 3 voies Mélangeuse

Répartitrice

Caractéristique de ces vannes : – linéaire sur le clapet supérieur – linéaire sur le clapet inférieur ainsi le débit traversant la vanne reste toujours le même. Très utilisées dans les installations de chauffage, elles permettent de réguler le débit de fluide passant dans un échangeur de chaleur : régulation en température. Organes de réglages

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II.7. Vanne à clapet réduit

II.8. Vanne à micro-débit Pour des petits débits donc des petits diamètres, le clapet prend la forme d'une aiguille : Cv jusqu'à 0,0003.

III. Conception des vannes à mouvement rotatif III.1. Vanne papillon Avantages : – Corps de vanne à passage direct donc très grand Cv ; – Construction simple. Inconvénients : – Le couple exercé par le fluide sur le disque de l'obturateur est tel que cette vanne ne peut travailler qu'à faible Δp et sous une ouverture limitée à 60° ; – Étanchéité délicate à obtenir à la fermeture sauf utilisation d'un chemisage en élastomère ;

Certaines vannes papillons améliorées permettent des ouvertures à 90° grâce à un bon équilibrage des actions de pression dû à leur profil particulier : – clapet légèrement excentré ; – clapet en forme de S ; – ...

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III.2. Vanne à boisseau sphérique Appelée aussi vanne à boule, l'obturateur est dans sa version la plus simple une sphère percée d'un diamètre égal à celui de la conduite. Avantages : – Écoulement direct peu perturbé donc grand Cv ; – Adaptée pour fluides chargés ou fibreux (industrie papetière) ; – Bonne étanchéité à la fermeture grâce à un siège souple (joint élastomère) plaqué sur la boule. Inconvénients : – Frottement important du joint d'étanchéité sur la boule. Ci-dessous une variante : obturateur en forme de segment sphérique avec une échancrure en V permettant de donner une caractéristique (linéaire ou =%), un micro-débit ou d'éviter la cavitation.

III.3. Vanne à clapet excentré Ce corps de vanne original (CAMFLEX conçu par Masoneilan) est comporte un obturateur rotatif en forme de calotte sphérique dont le centre est décalé par rapport à son axe de rotation. Avantages : – Sa construction originale diminue le couple exercé par le fluide sur le clapet d'où une puissance du servomoteur d'autant diminuée par rapport à une vanne classique ou papillon ; – Pas de frottement du clapet sur un élastomère en cours d'ouverture d'où une puissance du servomoteur d'autant diminuée par rapport à une vanne à boule ; – Écoulement direct assez peu perturbé donc grand Cv ; – Bonne étanchéité à la fermeture ; – Bonne rangeabilité. Inconvénients : – Usinage délicat de l'obturateur. Organes de réglages

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IV. Motoriser la vanne IV.1. Rôle de l'actionneur L'actionneur a une double fonction : – comme tout actionneur, il convertir une énergie d'apport en énergie mécanique ; – de plus il doit transformer le signal de commande Y, provenant du régulateur, en une position h correspondante de la tige de clapet (action sur l'obturateur). Idéalement, le lien entre h et Y sera linéaire : h = A . Y + B Cet actionneur de vanne s'appelle un « servomoteur ».

IV.2. Les énergies d'apport 

  

énergie électrique : malgré son omniprésence elle est peu utilisée du fait de la lenteur et du coût des actionneurs électriques et aussi à cause des risques inhérents à cette énergie dans l'industrie (incendie, électrocution, explosion, ...) ; énergie hydraulique : permet de développer des forces importantes mais sa mise en place est coûteuse ; énergie électro-hydraulique : combinaison des deux précédentes ; énergie pneumatique : c'est la plus utilisée pour des raisons de sécurité, de rapidité et historiques ainsi que pour des raisons de simplicité de mise en œuvre et de réalisation des actionneurs. On rencontre des servomoteurs pneumatiques à membrane ou a piston, simple ou double effet pour obturateurs linéaires ou rotatifs.

IV.3. Servomoteur pneumatique Le servomoteur pneumatique le plus courant est à membrane simple effet. Il peut être : – à action directe : la tige sort – à action indirecte : la tige du servomoteur lorsque le sirentre dans le servomoteur gnal augmente ; lorsque le signal augmente ;

Exemple de servomoteurs Masoneilan direct et indirect

– –

équipé d'une commande manuelle réversible : l'assemblage du servomoteur détermine l'action (il permet les deux actions).

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Exemple de servomoteur Samson réversible

Une pression de commande pc (type 0,2 – 1 bar) proportionnelle au signal Y (0 – 100%) est envoyé par le raccord de pression de commande dans le servomoteur. Elle agit sur une membrane épaisse en caoutchouc synthétique (nitrile NBR, éthylène propylène EPDM) renforcée ou non d'une toile (nylon par exemple). Cette poussée sur la membrane de section Sm développe une force motrice Fm. Fm = pc . Sm Cette force motrice déplace ou maintient en position la tige et donc le clapet de vanne.

IV.4. Vaincre les résistances passives La force motrice Fm parviendra à positionner la tige si elle vainc et équilibre toutes les forces antagonistes s'exerçant sur la tige : la réaction du(des) ressort(s) Fr, les forces de frottement Ffr, la force du fluide Ffl, la force de fermeture assurant l'étanchéité désirée Fé.

–

Le frottement Ffr se rencontre surtout entre la tige et le presse étoupe. Il s'oppose toujours au déplacement : dt diamètre de la tige en mm valeur de f = 4 si joint en PTFE Ffr = f . dt 30 si joint en graphite

h h0

La linéarité entre déplacement h de la tige et valeur du signal pc est obtenue grâce à un (ou plusieurs) ressort(s) d'opposition. Ce déplacement h est égal à l'écrasement du (ou des) ressort(s) de compression de raideur Kr précontraint(s) de la valeur h0 : Fr = Kr . (h+h0)

L0

–

Remarque : c'est une force à minimiser (graissage, ...) pour un bon fonctionnement. –

La force du fluide Ffl est due à la différence de pression Δp sur les faces du clapet. On se place dans le cas le plus défavorable pour estimer Ffl c'est à dire à Δpmax lorsque l'obturateur est fermé: St section de la tige Ffl = Δpmax . Ss – pt . St pt pression coté tige St section du siège Δpmax = p1 max – patm Remarques : Δp = 0 si le clapet est équilibré ; Ffl est orientée suivant le sens d'écoulement du fluide ; Ffl varie généralement avec l'ouverture.

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Exemples de variation de Ffl % en fonction de l'ouverture Obturateurs à clapet tourné

Obturateurs papillon

Pour assurer l’étanchéité il faut que la tige pousse le clapet contre le siège avec une certaine force Fé. Lorsque cela est nécessaire, on peut tenir compte de cette force. Elle est fonction de la classe d'étanchéité. –

Finalement : Fm = Fr ± Ffr ± Ffl (± Fé)

soit

pc . Sm = Kr . (h+h0) ± Ffr ± (Δpmax . Ss – pt . St) (± Fé)

(a)

IV.5. Choix de l'actionneur Pour faire un pré-choix d'actionneur, les constructeurs fournissent des tableaux de pression différentielle admissible Δpmax tenant compte de la commande (soit pc), de la taille des servomoteur, tige et siège (Sm, St, St), du ressort (Kr), de la précontrainte (h0), de la course (h). Finaliser ensuite le choix avec le constructeur.

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IV.6. Réglages du servomoteur De la relation (a) on tire :

h=

Sm 1 ⋅pc −h0 ⋅± F fl ± F fr  Kr Kr

introduit de l'hystérésis varie avec la Δp donc la position h permet de régler le « zéro » donne la pente de la quasi-caractéristique

Ffl

Fm

Fr

Fr

h

Fm

Fr

Ffl

Fm

Fr

Ffl

H

0

Fr

ouvert

Fm

0

Fr h0

Ffl 0,2

Fm

Fm

h0

0,2

1 pc (bar) F (%)

h

1 pc (bar) F (%)

H

fermé pos. (%)

ouvert

fermé pos. (%)

Problèmes rencontrés dans le cas 1 : Si Ffl0 > Fm0, alors réglage « zéro » impossible Il faut augmenter Fm : – choisir un actionneur plus grand – augmenter pc

h

1 pc (bar) F (%)

Le servomoteur (et donc la vanne) ne comporte que deux réglages : ✔ la compression initiale du ressort h0 donne Fr0 permettant le démarrage du clapet à Fm0 ; Remarque : Une précontrainte n'est possible que sur les servomoteurs indirects. ✔ la longueur de la tige H pour obtenir la fermeture à 1 bar.

Fm

Si Ffl100 > Fm100 (1 bar), alors il faut augmenter Fm : – choisir un actionneur plus grand – augmenter pc (0,4-2 bar ; 0,6-3 bar)

Problèmes rencontrés dans le cas 2 : ΔFr devient rapidement important, donc H aussi. Organes de réglages

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0,2

Cependant le risque est de rendre ΔFr importante, la course correspondante H peut dépasser le déplacement maximal réglable.

Fr H

Fm0

Ffl0

0

Ressort en traction

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V. Caractéristiques intrinsèques de la vanne V.1. Capacité du robinet

zoom sur la section de passage Sp

Le robinet de la vanne se comporte comme une restriction (organe déprimogène) dont la section de passage Sp est variable. C'est un générateur de pertes de charges, normalement maîtrisées. U2  J 1−2=⋅ 2

avec ξ coefficient de perte de charge singulière.

L'expression du débit qv traversant la vanne devient similaire à celle d'un OD :  p 1−2 q 2v =⋅ 2  2⋅S p

==>

q v=

 

 p1−2 2 ⋅S p⋅  

==>



q v =k⋅S p⋅

Interviennent : – la section de passage Sp ; – la perte de charge Δp = p1 – p2 ; – la masse volumique ρ du fluide ; – un coefficient k dépendant du profil interne de la vanne, du type d'écoulement et du système d'unité choisi ; il est considéré constant. La capacité du corps de vanne est le débit maximum qv max qu'il laisse passer à pleine ouverture Sp max.

 p 1−2 



q v =k⋅S p⋅

p 



q v max=k⋅S p max⋅

p 

Problème : cette capacité dépend de plusieurs paramètres (k, Δp, ρ vus ci-dessus) et ne permet pas une comparaison immédiate entre deux corps de vanne.

V.2. Coefficient de débit Pour comparer des vannes différentes et effectuer un choix cohérent parmi celles-ci, on introduit un coefficient de débit C utilisé pour énoncer la capacité d'une vanne dans des conditions spécifiées Δp0, ρ0 et pour une ouverture donnée, généralement l'ouverture maximale. p q v =k⋅S p⋅ – à toutes conditions : 





–

aux conditions spécifiées

C=q v0=k⋅S p⋅

–

d'où, pour une vanne donnée

k⋅S p=q v⋅

soit



C=q v⋅

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  p0 ⋅ 0  p



 p0 0



0  =C⋅ p  p0 avec

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ρ / ρ0 = d

densité du fluide P. Alary

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Kv

STS CIRA Coefficient de débit utilisant le Système International d'unité

le coefficient Kv est le nombre de mètres cubes d'eau à la température comprise entre 5 et 40°C traversant en une heure une restriction sous une chute de pression de un bar. •

Cv



1 Kv=qv m3 /h⋅ d⋅  pb ar

Coefficient de débit d'origine défini en 1944 par un constructeur de vanne américain

le coefficient Cv est le nombre de gallons U.S. (3,785 l) d'eau (de 40 à 100°F) traversant en une minute une restriction sous une chute de pression de 1 psi (6895 Pa). •

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

1 Cv=qv  gpmUS ⋅ d⋅  p psi

En Europe, nous travaillons dans le SI mais les constructeurs donnent souvent le Cv, d'où l'intérêt d'exprimer le Cv à partir des unités métriques :



Cv=1,16⋅qv⋅

d p

On parle de coefficient de débit nominal Cv100 (appelé parfois Kvs) lorsque la vanne est 100 % ouverte à H100. A la fermeture complète H 0, les vannes de réglage ont généralement un débit de fuite Cv0 ≠ 0 (leur rôle n'est pas d'isoler une conduite).

V.3. Lien coefficient de débit / corps Les vannes de régulation droites à mouvement linéaire couvrent un large spectre d'application critiques ou non. Elles sont généralement utilisées sur les applications classiques. Alors que les vannes rotatives à fort coefficient de débit s'utilisent sur des grands diamètres en écoulement non critique. Néanmoins à Cv égal, une petite vanne rotative peut avantageusement remplacer une vanne linéaire. Pour affiner le choix du type de vanne face au Cv nécessaire, voici un graphique guide. Il donne en fonction de l'ouverture (% pour une vanne linéaire ; ° pour une vanne rotative) une plage du rapport 100×Cv correspondant à un type de vanne. Nota, le DN s'exprime mm. DN2 Type de vanne : ← boisseau sphérique intégral

← papillon à DN > 100 mm boisseau sphérique segmenté

← papillon à DN < 150 mm ← à soupape linéaire rotative à clapet excentré

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V.4. Lois intrinsèques de variation du débit Du simple fait de la forme de l'obturateur (siège + clapet) de la vanne, la section de passage Sp peut être différente pour une même position de la tige de clapet. Ainsi il est possible de donner des lois différentes de variation de débit en fonction de la course du clapet. Caractéristiques intrinsèques de débit dans des vannes classiques --> Attention, ces caractéristiques sont établies dans les conditions d'essais spécifiées précédemment pour le coefficient de débit Cv, soit Δp0 et ρ0 constants sur toute la caractéristique. Les trois lois les plus usités sont : • Ouverture rapide (ou ToR) Le débit augmente fortement pour une faible ouverture de vanne. • Linéaire Course et débit sont proportionnels. • Égal pourcentage (= %) Le débit suit une loi exponentielle à la course. Pour une même variation de la course, la variation du débit est, en tout point de la courbe, le même pourcentage du débit précédent.

V.5. Rangeabilité intrinsèque A faible ouverture, la caractéristique théorique de la vanne est difficilement Cv maximum r i= maîtrisable à cause des jeux, des vibrations, de la finesse du profil de l'obtuCv minimum rateur. La plage de réglage intrinsèque est le rapport des Cv maximum et minimum contrôlables : Cette rangeabilité est de : – 30:1 environ pour des vannes droites classiques à caractéristique linéaire ; – 50:1 environ pour des vannes droites classiques à caractéristique = % ; – 100:1 au moins pour les vannes rotatives et ce jusqu'à plusieurs centaines.

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VI. La vanne et l'écoulement La fonction FC1 « Travailler dans de bonnes conditions » est ici développée en : FC11 : « Maîtriser un écoulement liquide » FC12 : « Maîtriser un écoulement gazeux » FC13 : « Maîtriser un écoulement biphasique »

VI.1. Maîtriser un écoulement liquide : le phénomène de cavitation a) Description du phénomène de cavitation ... Le propre d'une vanne est de provoquer une chute de pression variable pour gérer le débit de l'écoulement fluide la traversant. Une vanne est assimilable à une restriction variable placée sur une conduite droite. La chute de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne n'est pas linéaire. La pression du liquide passe par une valeur minimale pvc dans la « vena contracta » lieu où la section de l'écoulement est la plus faible et la vitesse la plus grande. Écoulement normal la pression du liquide dans la vanne reste toujours supérieure à la pression de vaporisation pv. •

Cavitation point A : apparition de bulles de vapeur au sein du liquide car la pression du liquide devient inférieure à pv. point I : implosion des bulles car la pression du liquide redevient supérieure à pv ==> cavitation •

Vaporisation la pression aval p2 est inférieure à pv donc le liquide se vaporise en partie. •

b) ... et ses conséquences La cavitation provoque des ondes de pression pouvant être de grande intensité (jusqu'à 7000 bar). Cela provoque : – des arrachements de matière sur les surfaces du clapet et du siège, du corps, ... voire une rupture ; – des vibrations et du bruit ; – la saturation de l'écoulement : la capacité de la vanne est réduite. Organes de réglages

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Courbe débit / perte de charge dans la vanne

 Kc⋅ p1− pvc 

F L⋅ p1− pvc

 p

Les conséquences qui en découlent à court ou moyen terme sont : – une perte de performance ; – une Δp fluctuante ; – des coûts de maintenance élevés. À la vaporisation, on obtient un mélange liquide / vapeur dont la vitesse est grande : jusqu'à la vi tesse du son. Le bruit peut alors devenir insoutenable et l'érosion des matériaux environnants importante (vanne et conduite aval). c) Comment prévoir le régime critique ... Dans le cas général, il faut vérifier que la perte de charge dans la vanne soit inférieure à la perte de charge critique : pv 2  p pcritique avec et  p critique=F L⋅ p1−F F⋅p v  F F =0,96−0,28 pc FL coefficient de débit critique fourni par le constructeur de la vanne (voir tableau) FF facteur critique de rapport de pression du liquide pv pression de vapeur saturante à la température du fluide (bar abs) pc pression au point critique thermodynamique (bar abs)



Si l'on veut éviter toute cavitation, il faut alors vérifier  p pdébut cavitation=Kc⋅ p 1− p v  KC coefficient de début de cavitation fourni par le constructeur de la vanne (s'il n'est pas fourni prendre KC = FL3) d) ... et s'en prévenir ? La ∆p à travers la vanne choisie et la température du liquide sont parfois tels qu'il n'est pas toujours possible d'éviter la cavitation. Malgré tout quelques solutions sont possibles pour la faire disparaître. •

Augmenter le facteur de débit critique FL : – changer le sens de passage dans la vanne – changer l'obturateur – changer de vanne

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•

Éloigner pvc de pv : – augmenter p1 et p2 avec une pompe plus puissante sur le circuit (coûteux) – augmenter p1 et p2 en plaçant la vanne le plus bas possible sur le circuit pour agrandir la colonne de fluide – diminuer la Δp dans la vanne en modifiant l'installation (souvent difficile) – diminuer pv en refroidissant le liquide (coûteux)

•

Fractionner la Δp – remplacer la vanne par plusieurs vannes en série – utiliser un obturateur anti-cavitation

VI.2. Maîtriser un écoulement gazeux : l'écoulement sonique a) Description du phénomène et ses conséquences La chute de pression dans une vanne entraîne pour un fluide compressible une baisse de masse volumique. Pour conserver un débit massique constant aux mêmes diamètres amont et aval, la vitesse du gaz croît. Comme pour les fluides incompressibles, on arrive à un régime critique : le débit n'augmente plus même si la chute de pression augmente lorsque la vitesse du fluide devient sonique dans la vena contracta. Contrairement à la cavitation, ce régime critique n'est pas destructeur hormis la saturation du débit, les vibrations et l'érosion qu'il engendre. Cependant il faudra vérifier que la vitesse en sortie de vanne ainsi que le bruit ne dépassent pas les seuils autorisés. b) Comment prévoir le régime critique Dans le cas général, il faut vérifier que la perte de charge dans la vanne soit inférieure à la perte de charge critique :   p critique= xT⋅F ⋅p1  p pcritique F = avec et 1,4 xT Facteur de rapport de pression différentielle fourni par le constructeur (voir tableau). Fγ Facteur de correction correspondant au rapport des chaleurs massiques. Remarque :

xT et FL sont en corrélation :

x T ≈0,84×F L

2

VI.3. Maîtriser un écoulement biphasique Il n'y a pas à ce jour de norme définie pour ce cas de figure. Il faut alors utiliser les méthodes de calcul des constructeurs de vanne.

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VI.4. Résister à l'écoulement : les vitesses limites ●

●

a) Vitesses limites pour liquides Les vitesses limites habituelles dans les conduites doivent être respectées (cours « transport des liquides »). On limite la vitesse d'entrée U1 dans la vanne pour prévenir les problèmes d'érosion surtout en cas de convergent :

U 1=354×

qv d

2 v

Liquide

U 1 max

Avec qv dv

α1

débit volumique DN de la vanne

m3/h mm

U 1 max =1×2×3×10 m/ s les coefficients α ci-contre

Corps

Chargé de 0,6

Propre à1

Acier Inox ou alliage nickel α2 de 0,75 à 1

Utilisation Continue Intermittente α3 de 1 à 1,4 ...

On vérifie aussi la vitesse au niveau de l'obturateur : Δp chute de pression p U obt.=318× U obt. max ρ1 masse volumique du liquide à T1  ●



Si Si

Uobt. Max > 20 m/s Uobt. Max > 60 m/s

alors alors

bar kg/m3

prendre un obturateur multi-étagé ou anti-cavitation il faudra une géométrie (corps, obturateur, ...) spéciale (éviter)

b) Vitesses limites pour gaz Les gaz étant compressibles, la chute de pression au travers d'une vanne engendre une détente à sa sortie. Cette détente provoque une augmentation de vitesse. Cette vitesse ne doit en aucun cas dépasser la vitesse du son sinon l'onde de choc produite serait très bruyante et dommageable. ●

On limite le nombre de Mach Ma (rapport de la vitesse de sortie sur la vitesse du son) pour prévenir toute onde de choc provoquant bruit et dommage :

Ma=0,0135×

qv p 2×d

2

×

M ×T Ma max 

Avec qv débit volumique m3/h p2 pression sortie bar abs dv DN de la vanne mm M masse molaire g/mol T température K γ rapport chaleur massique Ma max=1× 2×3×0,5

Gaz Vapeur

Chargé Saturée α1 de 0,8

Propre Surchauffée à1

Corps

Acier Inox ou alliage nickel α2 de 0,75 à 1

Utilisation Continue Intermittente α3 de 1 à 1,4 ... suivant fréquence

VI.5. Stopper l'écoulement : débit de fuite Les vannes de régulation ne sont généralement pas destinées à stopper complètement un écoulement. Même fermées, elles fuient souvent au niveau de l'obturateur. Ce « débit de fuite » fait l'objet d'une norme. Les vannes sont classées en 6 classes : de I (accord client / fournisseur), II (débit de fuite < 0,5 % débit nominal) , ... jusqu'à VI.

VI.6. Calcul du Cv requis Pour améliorer le calcul du Cv requis permettant de maîtriser l'écoulement, on introduit certains coefficients correcteurs : voir le tableau récapitulatif ou norme CEI 534-2

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VI.7. Tableau récapitulatif Écoulement liquide turbulent



Cv=1,16⋅qv⋅

●

d p

d = ρ1 / ρ0 : densité par rapport à l'eau à 15°C ρ0 : masse volumique de l'eau à 15°C kg/m3 ρ1 : masse volumique du liquide à T1 kg/m3 Δp : chute de pression bar qv : débit volumique m3/h

écoulements critiques si  p pcritique 2 alors remplacer Δp par  p critique=F L⋅ p1−F F⋅p v 

p1 FL FF pv pc

F F =0,96−0,28



pv pc

pression amont bar abs coefficient de débit critique (voir tableau page suivante ou constructeur) facteur critique de rapport de pression du liquide pression de vapeur saturante à la température du fluide bar abs pression au point critique thermodynamique bar abs

Écoulement li- Le Cv sera divisé par un facteur FR calculé itérativement à partir du nombre de quide laminaire Reynolds, du Cv et du type de vanne (facteurs FL et Fd). Voir norme ou documents constructeurs Écoulement gazeux

Cv=

Cv=

●

p1 xT γ Fγ



1,16⋅qv d ⋅ Y p qm 27,3⋅Y⋅  p⋅1

d = ρ1 / ρ0 : densité par rapport à l'eau à 15°C ρ0 : masse volumique de l'eau à 15°C kg/m3 ρ1 : masse volumique du gaz à p1, T1 kg/m3 Δp : chute de pression bar qv : débit volumique à p1 et T1 m3/h qm : débit massique kg/h x p Y : facteur de détente Y =1− et x= 3 F  xT p1

écoulements critiques si  p pcritique alors remplacer Δp par  p critique= xT⋅F ⋅p1 et Y = 2/3 pression amont bar abs Facteur de rapport de pression différentielle (voir tableau page suivante ou constructeur) Rapport des chaleurs massiques Facteur de correction correspondant au rapport des chaleurs F =   1,4 massiques

Écoulement Le Cv sera divisé par un facteur FP dépendant des pertes de charges engendrée avec convergent par les convergent et divergent. / divergent Voir norme ou documents constructeurs Nota – –

l'indice 1 fait référence à l'entrée de vanne, le 2 à la sortie. la norme IEC 60534 et les différents constructeurs de vannes peuvent proposer des expressions du Cv différentes mais menant au même résultat.

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VI.8. Tableau des facteurs FL, xT, Fd Type de vanne

Écoulement tendant à ouvrir ou Clapet V port à 3 V fermer tendant à ouvrir ou Clapet V port à 4 V fermer tendant à ouvrir ou Clapet V port à 6 V fermer Vanne à soupape tendant à ouvrir Clapet tourné parabolique simple siège tendant à fermer Cage avec 60 trous de même dia- depuis intérieur ou mètre extérieur Cage avec 120 trous de même dia- depuis intérieur ou mètre extérieur depuis intérieur ou Cage à 4 lumières extérieur arrivant entre les Clapets V port deux sièges Vanne à soupape double siège dans les deux diClapets tournés rections tendant à ouvrir Clapet tourné parabolique tendant à fermer Vanne d'angle depuis intérieur Cage à 4 lumières depuis extérieur Venturi tendant à fermer Encoche en V tendant à ouvrir Vanne micro-débit Siège plat (course réduite) tendant à fermer Aiguille conique tendant à ouvrir tendant à ouvrir Obturateur sphérique excentré tendant à fermer Vanne rotative tendant à ouvrir Obturateur conique excentré tendant à fermer dans les deux diNon excentré (70°) rections dans les deux diVanne papillon (cenNon excentré (60°) rections trée) dans les deux diDisque dentelé (70°) rections Vanne papillon (exdans les deux diÀ siège décalé (70°) centrée) rections dans les deux diPassage intégral rections Vanne à boisseau sphérique dans les deux diPassage segmenté rections

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Obturateur

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FL

xT

Fd

0.9

0.70 0.48

0.9

0.70 0.41

0.9

0.70 0.30

0.9 0.8

0.72 0.46 0.55 1.00

0.9

0.68 0.13

0.9

0.68 0.09

0.9 0.75 0.41 0.85 0.70 0.41 0.9

0.75 0.28

0.85

0.70 0.32

0.9 0.72 0.8 0.65 0.9 0.65 0.85 0.60 0.5 0.20 0.98 0.84 0.85 0.70 0.95 0.84 0.85 0.60 0.68 0.40 0.77 0.54 0.79 0.55

0.46 1.00 0.41 0.41 1.00 0.70 0.30 0.42 0.42 0.44 0.44

0.62

0.35 0.57

0.70

0.42 0.50

0.67

0.38 0.30

0.67

0.35 0.57

0.74

0.42 0.99

0.60

0.30 0.98

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VII. La vanne et son environnement La fonction FC1 « S'adapter à l'environnement » est ici développée en : FC21 : « Raccorder à la conduite » FC22 : « Rendre accessible » FC23 : « Satisfaire aux normes environnementales » FC24 : « Résister au fluide »

VII.1. Raccorder à la conduite a) DN La taille des vannes est définie par le diamètre nominal DN normalisé comme les diamètres de conduites. Il faudra toujours choisir : ½ DNconduite ≤ DNvanne ≤ DNconduite b) Convergent / divergent Si le DNvanne < DNconduite alors il faut placer en amont de la vanne un convergent, en aval un divergent. Dans ce cas, il faudra en tenir compte lors du dimensionnement de la vanne (facteur FP). c) Raccordement conduite / vanne

voir cours « Transport des liquides » §1.2.3

d) Montage La vanne doit être placée si possible verticalement, servomoteur en haut. sans commande manuelle avec by-pass avec commande manuelle sans by-pass

(Ici la maintenance suppose un arrêt de production)

•

e) Emplacement sur le circuit Régulation de pression d'un liquide ou un gaz Si régulation de pression amont : placer la vanne en aval du capteur

Si régulation de pression aval (détente) : placer la vanne en amont du capteur

PC PT

•

PC PCV

PCV

Régulation de débit sur liquide Installer la vanne en aval du capteur est généralement préférable en respectant les distances d'implantation du capteur de débit pour ne pas fausser la mesure.

Longueur droite amont Organes de réglages

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PT

FC FCV FT aval P. Alary

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Si la vanne est placée en amont du capteur, alors la mesure peut être faussée par : – l'écoulement perturbé en sortie de vanne ; – un risque de vaporisation ; – une longueur droite amont capteur mal respectée. •

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FC FCV FT

Régulation de débit sur gaz Sur un gaz, la chute de pression dans la vanne entraîne une baisse de la masse volumique et donc pour un débit massique donné, la vitesse augmente en aval. Et donc la perte de charge dans le circuit aval aussi. Vanne montée en début de circuit

Vanne montée en fin de circuit

L'emplacement de la vanne détermine la Δp à prendre en compte pour le calcul de Cv. Dans le 2ème cas, la Δp est plus grande d'où un risque d'écoulement critique dans la vanne.

VII.2. Rendre accessible Pour le montage bien sûr, mais aussi pour tout démontage ou entretien, la vanne doit être accessible sur un assez large périmètre à l'installateur et tout opérateur de maintenance.

VII.3. Résister au fluide a) Matériaux Le choix du ou des matériaux constitutifs de la vanne dépend de la nature du fluide, mais aussi de sa pression et sa température. L'érosion due au passage du fluide à grande vitesse est très souvent déterminante pour le choix des clapets et sièges de vanne. Se référer au constructeur de vanne en cas de doute. •

Matériaux les plus usuels pour le corps : – matières traditionnelle aptes au moulage : fonte ou bronze en perte de vitesse ; – aciers au carbone pour usage général (jusqu'à 400°C) ; – aciers inoxydables (bonne tenue à la corrosion, T >400°C ou T < -100°C) ;

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aciers alliés très durs résistant bien à l'érosion ; matériaux spéciaux tels que les alliage type « monel », « hastelloy », bronze, ... les métaux purs tels que le nickel, le titane, le tantale, ... les matières plastiques telles que le PTFE, ... les céramiques généralement utilisés pour leur résistance à la corrosion.

•

Matériaux les plus usuels pour siège et clapet : aciers inoxydables à fort pourcentage de chrome avec traitement de surface pour augmenter leur dureté.

•

Matériaux les plus usuels pour la garniture (presse-étoupe) :

PTFE ou graphite ;

b) Pression nominale PN Toute enveloppe sous pression (conduite, réservoir, corps de vanne, ...) doit avoir une épaisseur suffisante pour résister aux conditions de service. Remarque : la pression admissible diminue avec la température.

Exemple pour une vanne droite classique en acier inox (Z2 C N 18-10)

VII.4. Satisfaire aux normes environnementales a) Étanchéité de la vanne Pour des questions environnementales mais aussi économiques et de performance, la vanne ne doit pas fuir vers l'extérieur. Outre le raccordement à la conduite (§1) ou une fissure d'enveloppe (§3 choix PN), les risques de fuite se situent au niveau de tous les joints d'étanchéité statique de la vanne notamment entre le chapeau et le corps de vanne. Mais le point le plus sensible est le presse étoupe zone d'étanchéité dynamique entre la tige et le corps de vanne. Le presse étoupe est constitué d'un jeu de garniture écrasé par un ressort de façon à établir une pression garniture / tige et garniture / corps supérieure à la pression du fluide. La compression du ressort doit être généralement réglée à la main. En cas de conditions extrêmes, on utilise un soufflet métallique à la place du presse étoupe. Nota : l'étanchéité dynamique est plus facile à obtenir en rotation (vanne rotative) qu'en translation. b) Bruit Le bruit émit par la vanne doit reste en deçà des normes de confort minimal des personnes à proximité (par exemple 85 dB pour une exposition permanente). De plus une vanne bruyante est une vanne qui travaille dans des conditions sévères ou de mauvaises conditions. Limiter les vitesses de fluide est un bon moyen de limiter le bruit. Cependant une étude plus approfondie peut être envisagée : voir norme CEI 534-8.

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VIII. La vanne et la commande Les fonction FC3 « S'adapter à l'énergie » et FC4 « Recevoir le signal de commande » sont ici développée en : FC31 : « Convertir le signal de commande » FC41 : « Asservir la position de l'obturateur » FC42 & FC32 : « Sécuriser le processus » FC43 : « Partager le signal sur deux vannes »

VIII.1. Convertir le signal de commande Le signal issu du régulateur peut être de nature différente du signal accepté par le servomoteur : par exemple Yrégulateur = 4 .. 20 mA Yservomoteur = 200 .. 1000 mbar Dans ce cas, il faut utiliser un convertisseur i/p (courant / pression) 1 Fléau 2 Bobine mobile 3 Aimant permanent 6 Palette 7 Buse 8 Restriction primaire 9 Amplificateur de débit 10 Restriction de débit

VIII.2. Asservir la position de l'obturateur Le positionnement du clapet de vanne par rapport au siège est souvent perturbé comme on l'a vu précédemment par : – les frottements au niveau des guidages et étanchéités ; – la poussée variable du fluide sur le clapet ; – le vieillissement de la mécanique (ressort, membrane, ...). Pour améliorer la précision de la position du clapet, on va l'asservir avec un relais d'asservissement ou « positionneur ». Ym Énergie auxiliaire VANNE DE RÉGLAGE Y

Servomoteur

Convertisseur +

+

h

Robinet

Grandeur Réglante - débit

+

Potentiomètre

H

Contacts

Positionneur

En plus d'apporter l'avantage de l'asservissement, le positionneur permet en plus de : – convertir le signal du régulateur (fonction convertisseur), on parle de positionneur pneumatique (entrée 0,2-1 bar / sortie 0,4-2 bar ou 0,6-3 bar ou ...) ou électro-pneumatique (entrée 4-20 mA / sortie 0,4-2 bar ou 0,6-3 bar ou ...) ; – diminuer le temps de réponse grâce à l'amplificateur de débit ; Organes de réglages

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inverser ou non le sens d'action de la vanne ; modifier si nécessaire la caractéristique intrinsèque de la vanne (exemple positionneur à came) ; partager l'étendue du signal sur deux vanne.

Exemple de positionneur à équilibre de force

Ce positionneur est basé sur le principe d’un mécanisme à équilibre de force   la pression d’un signal pneumatique appliquée sur un diaphragme est opposée à la force d’un ressort de contre-réaction.  À partir de l’état d’équilibre, si le signal pneumatique varie, l’ensemble diaphragme se déplace. Le mouvement entraîne le tiroir du pilote qui est poussé par le ressort de rappel. Le pilote  est un distributeur à tiroir trois voies. Le tiroir règle les débits d’air comprimé de l’alimentation vers la sortie sur l’actionneur et de la sortie vers l’orifice d’échappement. La position de ce tiroir, commandée par le diaphragme, détermine la pression de sortie du positionneur.  Le déplacement du tiroir met le circuit de sortie en communication avec le circuit d’alimentation ou l’orifice d’échappement, modifiant ainsi la pression appliquée sur l’actionneur.  La pression appliquée sur la membrane pousse l'ensemble tige / clapet. Une came lié à la tige est entraînée en rotation par un embiellage. La came  est l’élément intermédiaire, dans le dispositif de contre-réaction, entre l’actionneur et le ressort du positionneur. Son profil détermine la relation entre la position de l’obturateur de la vanne et le signal émis par le régulateur. Les caractéristiques “linéaire”, “linéaire en cascade” (split-range), ou “égal pourcentage” sont disponibles par sélection du secteur approprié sur les cames. Des profils de came pour caractéristiques spéciales peuvent être réalisés.  La came transmet le déplacement de l’obturateur de la vanne au ressort de contre-réaction. L’obturateur de la vanne continue son mouvement jusqu’à ce que la force du ressort équilibre exactement celle développée par la pression du signal pneumatique sur le diaphragme.  A ce nouvel état d’équilibre, la position de l’obturateur de la vanne devant le siège correspond à celle demandée par le signal du régulateur. Organes de réglages

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VIII.3. Sécuriser le processus Pour des raisons de sécurité , il est fondamental de connaître la position de repli d'une vanne lorsqu'une défaillance d'alimentation en énergie ou une défaillance de signal de commande surviennent. a) Défaillance d'énergie1 Vanne à caractéristique directe : elle se Ferme par Manque d'Air Vanne à caractéristique inverse : elle s'Ouvre par Manque d'Air

FMA OMA

Association servomoteur / corps

Direct

Inverse

= vanne

1

OMA

FMA

FMA

OMA

Valable pour toute vanne avec ou sans positionneur

b) Défaillance de signal En l'absence de signal de commande, une vanne équipée d'un positionneur peut être Normalement Ouverte ou Normalement Fermée par l'énergie motrice selon le sens d'action global de cet équipage. Association

Vanne FMA

Vanne OMA

Positionneur direct

NF

NO

Positionneur inverse

NO

NF

vanne / positionneur

FC

c) Maintien de la position lors d'une défaillance d'énergie Une vanne ToR se ferme en cas de chute brutale de la pression d'alimentation. La pression dans le servomoteur est ainsi isolée du signal de pression fourni par le positionneur. ==> d) Codification sur schéma TI

M

FL FO

FC

FI

FL

robinet droit à robinet tournant à robinet tournant robinet droit à soupape + papillon + à boule + soupape + actionneur actionneur pneuactionneur actionneur pneumatique à matique à memélectrique pneumatique membrane brane avec posi(moteur) à piston tionneur FO : fail open FL : fail locked FI : fail indeter(ouvert par FC : fail closed (bloqué par minate (position manque d'air) (fermé par manque indéterminée par manque d'air) d'électricité) manque d'air) Organes de réglages

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OU FO

FC

FL

FI

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VIII.4. Partager le signal sur deux vannes Cette fonction est utilisée si la régulation ne peut être couverte par une seule vanne : a) Structure type « chaud / froid » Cette structure est utilisée lorsque la commande doit agit sur deux vannes : une vanne de froid et une vanne de chaud. ...C

0 – 50 %

FO 50 – 100 %

FC b) Structure à grande rangeabilité étalée sur deux vannes en parallèle Si une grande rangeabilité sur le débit est nécessaire, alors il faut utiliser plusieurs (deux en général) vannes en parallèle aux Cv étagés. Remarque :

Cvtotal = Cv1 + Cv2 ...C

0 – 50 %

FC 50 – 100 %

FC c) Deux stratégies Lors de régulation « split-range », les deux organes sont donc pilotés à partir d’une seule commande. Deux solutions sont possibles : – on réalise un décalage des zéros et 100 % des vannes de façon à ce que la première s’ouvre à 0 % et se ferme à, par exemple, 50 % du signal de commande, la deuxième sera fermée jusqu’à 50 % puis s’ouvrira jusqu’à 100 % du signal : réglages et maintenance plus ardus ; Des positionneurs à cames ou numériques facilitent l'opération. – on utilise un bloc de calcul séparant la commande en deux signaux, chaque signal commandant une sortie analogique. Les vannes sont réglées de manière standard et non plus décalée, ce qui simplifie la maintenance.

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IX. La vanne dans la boucle de régulation La fonction FP1 « Agir sur la grandeur réglante du processus, généralement un débit, suivant le signal de commande » est ici développée en :

IX.1. Gain statique de la boucle de régulation  Gs Ge il dépend de la caractéristique de l'appareil (ou du composant), par exemple à une caractéristique linéaire correspond un gain constant. a) Rappel : le gain d'un appareil est aussi appelé sensibilité

G=S=

caractéristique typique (ou idéale)

ou inverse

caractéristique réelle

Quasi-linéarité Résolution Hystérésis Jeux, ... est-elle réglable ?

oui

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positionneur

Distorsion du Système peu à Quasi-linéarité débit en fonction très perturbé du circuit zéro, échelle, choix de la loi non linéarité 32/40

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b) Gain global statique - Règle Chaque élément de la boucle a sa propre caractéristique et son propre gain. Les réglages de chaque appareil et surtout du régulateur permettent d'optimiser le comportement de la boucle de régulation et notamment le gain global G=Gr×Gv×Gs×Gc ; c'est à dire garder la grandeur réglée X le plus proche et le plus rapidement possible de la consigne W malgré les perturbations Z. Si, pour un raison quelconque, le gain global G devait changer, alors la boucle verrait ses performances diminuer : – si G > Goptimal alors la régulation risque d'osciller – si G < Goptimal alors la régulation devient « molle » et peu performante Pour éviter cette situation, il faut respecter la règle suivante : Règle :

Le gain statique global de la boucle de régulation ouverte doit être constant

c) Application de la règle En général, le gain du régulateur Gr et du capteur Gc sont constants. Donc le produit Gv × Gs doit rester constant pour respecter la règle. Agir sur la caractéristique de la vanne Gv2 Exemple : régulation de la température d'un four ●

La caractéristique du corps + obturateur de vanne doit compenser celle du four pour maintenir la caractéristique globale linéaire et donc le gain global constant. Pour satisfaire à la règle, il est nécessaire de bien connaître la caractéristique de la vanne quel que soit le débit (voir § 9.2). Agir sur la caractéristique du servomoteur (ou plutôt du positionneur) Gv1 Si l'action sur la caractéristique de l'obturateur n'est pas probante, il faudra se rabattre sur celle du servomoteur (souvent peu malléable), ou celle du positionneur. Avec un positionneur à came ou intelligent, on peut obtenir une multitude de caractéristiques permettant de compenser celle du système. ●

Agir sur la caractéristique du régulateur Gr Si la caractéristique de la vanne n'est pas négociable, alors il faudra agir au niveau de celle du régulateur. C'est possible avec les régulateurs numériques modernes. On parle alors de régulation Auto-Adaptative. L’idée de ce type de régulation est de calculer par des algorithmes appropriés et en temps réel le modèle du procédé à commander (vanne + système + élément primaire du capteur). On détermine ainsi les paramètres ou la structure du régulateur numérique en fonction du critère d'optimalité imposée. ●

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IX.2. Caractéristique intrinsèque d'une vanne ●

a) Définitions des termes : Dans tout ce qui suit, on considère des vannes FMA. Le raisonnement serait inversé pour des vannes OMA.

●

Soit h la course utile de la tige de vanne ; h% est la course relative utile en % : – h0 est le début de la course utile de la tige de vanne (le débit devient contrôlable) ; – h100 =1 est la fin de la course utile de la tige de vanne (soit l'ouverture quasi-complète).

●

Soit le coefficient de débit Cv de la vanne ; Cv% (ou Φ) est le coefficient de débit relatif en % suivant l'ouverture de la vanne : Cv h%  – Cv(h%) est le coefficient de débit à h% ; Cv% =Φ= Cv h100  – Cv0 est le coefficient de débit relatif de vanne à h0 ; – Cv100 est le coefficient de débit relatif de vanne à h100 ; soit Cv100 = 1 – Cv(h100) = Cv donné par le constructeur ; il dépend de la caractéristique intrinsèque de la vanne (voir 9.2.2 ci-dessous) ;

●

Soit q le débit au travers de la vanne ; q% est le débit relatif au travers de la vanne en % : – q(h%) est le débit à h% ; q h%  q %= – q0 est le débit relatif à h0 ; q h100  – q100 =1 est le débit relatif à h100 ; – q dépend du Cv, mais aussi de la perte de charge Δp engendrée par la vanne.

Lorsqu'un constructeur de vanne établie la capacité d'une vanne, il le fait à Δp constante (revoir définition du Cv ou Kv). Cv h%   pv ⋅ Cv h%  q h%  1,16 Cvh % d te q = = = =Cv% Cv% == et si  pv =C alors % q h100  Cv h100   pv Cvh100  Cv h100  ⋅ 1,16 d b) Différentes caractéristiques linéaire

 

Cv% = 1−

1 1 ×h% ri ri

 

égal pourcentage

h %−1

Cv% =r i

racine carrée

 

Cv% = 1−

1 1 × h % ri ri

c) rangeabilité intrinsèque Rapport entre les Cv maximum et minimum contrôlables : r i=

Cv h100  Cv 100 1 1 = = = Cv h0  Cv 0 Cv 0  0

Ordres de grandeur : Vannes linéaires ri = 25:1 (moyenne qualité, clapet réduit) à 50:1 (bonne qualité), voire 100:1 Vanne rotative ri = 100:1 (clapet excentré) à 200:1 (clapet boule ou papillon), voire 300:1 Organes de réglages

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P. Alary

Lycée P.E.M.

STS CIRA

INSTRUM

IX.3. Caractéristique installée d'une vanne La caractéristique d'une vanne est modifiée par le circuit dans lequel elle est installée. a) Circuit court sans pertes de charge

Δpv(h=50%)

p

Δpv(h=100%)

Δpv 0

Δpv 50

Δpv 100

p1

p2 0 0

20

40

60

80

100

Quel que soit le débit, la parte de charge engendrée par la vanne Δpv est toujours la même. Donc q% est toujours égal à Cv%.

q

p

Δpv 100

p1

Δpv 0

b) Circuit avec pertes de charge

p2 La parte de charge engendrée par la vanne Δpv varie avec le débit : Δpv(h100) < Δpv(h50) < Δpv(h0)  pv h50  Cv h50  1 1 et sachant que pour une vanne linéaire Cv50= = , alors on a : donc  pv h100  Cv h100  2 q 50=



q h50 Cv h50   p h50   ph 50 1 = ⋅ =Cv 50⋅  q h100  Cv h100    p h100   ph 100  2

q

donc q% est supérieur à Cv%.

p

p1

Δpv 100

Δpv 0

c) Circuit long avec pompe

p2 0 0

La parte de charge Δpv varie encore plus avec le débit :  pv h50  1 ≫1 q 50≫ donc soit  pv h100  2 Organes de réglages

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Δpv(h100)