Vannes

Lyce P.E.M. STS CIRA INSTRUM

ORGANES DE RGLAGE

TABLE DES MATIRES

I. Gnralits....................................................................................................................................3I.1. Localisation dans une boucle de rgulation..........................................................................3I.2. Approche fonctionnelle.........................................................................................................3I.3. Constitution de la vanne de rglage......................................................................................4

II. Conception des vannes mouvement linaire.............................................................................5II.1. Vanne droite classique.........................................................................................................5

a) clapet massif tourn simple sige et simple guidage.......................................................5b) clapet massif tourn double sige ou / et double guidage...............................................6c) clapet moul en V simple (ou double sige) et simple (ou double) guidage...................7

II.2. Vanne droite cage..............................................................................................................7II.3. Vanne droite membrane....................................................................................................8II.4. Vanne d'angle.......................................................................................................................9II.5. Vanne glissire parallle...................................................................................................9II.6. Vanne 3 voies......................................................................................................................9II.7. Vanne clapet rduit.........................................................................................................10II.8. Vanne micro-dbit..........................................................................................................10

III. Conception des vannes mouvement rotatif...........................................................................10III.1. Vanne papillon.................................................................................................................10III.2. Vanne boisseau sphrique..............................................................................................11III.3. Vanne clapet excentr....................................................................................................11

IV. Motoriser la vanne...................................................................................................................12IV.1. Rle de l'actionneur..........................................................................................................12IV.2. Les nergies d'apport........................................................................................................12IV.3. Servomoteur pneumatique...............................................................................................12IV.4. Vaincre les rsistances passives.......................................................................................13IV.5. Choix de l'actionneur.......................................................................................................14IV.6. Rglages du servomoteur.................................................................................................15

V. Caractristiques intrinsques de la vanne.................................................................................16V.1. Capacit du robinet ...........................................................................................................16V.2. Coefficient de dbit...........................................................................................................16V.3. Lien coefficient de dbit / corps........................................................................................17V.4. Lois intrinsques de variation du dbit..............................................................................18V.5. Rangeabilit intrinsque....................................................................................................18

VI. La vanne et l'coulement..........................................................................................................19VI.1. Matriser un coulement liquide : le phnomne de cavitation........................................19

a) Description du phnomne de cavitation ........................................................................19b) ... et ses consquences......................................................................................................19c) Comment prvoir le rgime critique ...............................................................................20d) ... et s'en prvenir ?...........................................................................................................20

VI.2. Matriser un coulement gazeux : l'coulement sonique.................................................21a) Description du phnomne et ses consquences..............................................................21b) Comment prvoir le rgime critique ...............................................................................21

VI.3. Matriser un coulement biphasique................................................................................21VI.4. Rsister l'coulement : les vitesses limites....................................................................22

a) Vitesses limites pour liquides...........................................................................................22b) Vitesses limites pour gaz..................................................................................................22

VI.5. Stopper l'coulement : dbit de fuite................................................................................22VI.6. Calcul du Cv requis..........................................................................................................22

Organes de rglages 1/40 P. Alary


VI.7. Tableau rcapitulatif........................................................................................................23VI.8. Tableau des facteurs FL, xT, Fd.......................................................................................24

VII. La vanne et son environnement..............................................................................................25VII.1. Raccorder la conduite...................................................................................................25

a) DN....................................................................................................................................25b) Convergent / divergent.....................................................................................................25c) Raccordement conduite / vanne voir cours Transport des liquides 1.2.3.................25d) Montage............................................................................................................................25e) Emplacement sur le circuit...............................................................................................25

VII.2. Rendre accessible............................................................................................................26VII.3. Rsister au fluide............................................................................................................26

a) Matriaux.........................................................................................................................26b) Pression nominale PN......................................................................................................27

VII.4. Satisfaire aux normes environnementales.......................................................................27a) tanchit de la vanne......................................................................................................27b) Bruit.................................................................................................................................27

VIII. La vanne et la commande......................................................................................................28VIII.1. Convertir le signal de commande..................................................................................28VIII.2. Asservir la position de l'obturateur................................................................................28VIII.3. Scuriser le processus....................................................................................................30

a) Dfaillance d'nergie1......................................................................................................30b) Dfaillance de signal........................................................................................................30c) Maintien de la position lors d'une dfaillance d'nergie...................................................30d) Codification sur schma TI..............................................................................................30

VIII.4. Partager le signal sur deux vannes.................................................................................31a) Structure type chaud / froid ........................................................................................31b) Structure grande rangeabilit tale sur deux vannes en parallle................................31c) Deux stratgies.................................................................................................................31

IX. La vanne dans la boucle de rgulation.....................................................................................32IX.1. Gain statique de la boucle de rgulation..........................................................................32

a) Rappel : le gain d'un appareil est aussi appel sensibilit G = S = ..................................32b) Gain global statique - Rgle.............................................................................................33c) Application de la rgle.....................................................................................................33

IX.2. Caractristique intrinsque d'une vanne...........................................................................34a) Dfinitions des termes :....................................................................................................34b) Diffrentes caractristiques..............................................................................................34c) rangeabilit intrinsque....................................................................................................34

IX.3. Caractristique installe d'une vanne...............................................................................35a) Circuit court sans pertes de charge pv(h=50%) pv(h=100%)....................................35b) Circuit avec pertes de charge p1......................................................................................35c) Circuit long avec pompe p1..............................................................................................35d) Autorit............................................................................................................................36e) Courbes des caractristiques installes.............................................................................36

IX.4. Rangeabilit installe.......................................................................................................36IX.5. Gain de l'obturateur de vanne...........................................................................................37IX.6. Choix du coefficient de dbit...........................................................................................37IX.7. Choix de la caractristique intrinsque ; Recommandations...........................................38

a) Considrations initiales....................................................................................................38b) Rgulation de dbit..........................................................................................................38c) Rgulation de niveau........................................................................................................39d) Rgulation de temprature...............................................................................................39e) Rgulation de pression.....................................................................................................40



I. Gnralits I.1. Localisation dans une boucle de rgulation

I.2. Approche fonctionnelle

FP1 Agir sur la grandeur rglante du processus, gnralement un dbit, suivant le signal decommande

FC1 Travailler dans de bonnes conditions FC2 S'adapter l'environnement FC3 S'adapter l'nergie FC4 Recevoir le signal de commande Il existe deux sortes d'organe de rglage constitus comme de vritables chanes d'nergie :

nergie auxiliaire Practionneur Actionneur Effecteurlectrique variateur de frquence moteur lectrique pompe

ventilateurlectrique

pneumatique

relais d'asservissement (ou positionneur )

servomoteur pneumatique ou lectrique

robinet

registre

C'est celui utilisant un robinet qui est le plus largement rpandu et tudi ici : la vanne de rglage



I.3. Constitution de la vanne de rglage

La vanne de rglage est constitue 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 diffrentes possibilits :

Corps MVT tige Obturateurdroit

angle 3 voies

droitdroit

droit pour micro-dbit

linaire Sige simple ou double Clapet massif tournou moul en V

cage membrane glissire

rduit aiguilledroit rotatif papillon

clapet excentr boisseau sphrique

le servomoteur 8 provoquant un dplacement de tige suivant le signal de commande donn.A ces organes peuvent tre ajouts les accessoires suivants :



un positionneur ou relais d'asservissement en position de la tige ; un convertisseur de signal ; un potentiomtre ou systme de recopie de position ; un ou deux contact de position ; une commande manuelle ;

VANNE DE RGLAGEGrandeurRglante

- dbit

YConvertisseur

Servo-moteur Robinet

Potentiomtre

h

H

Ym

+-

+

ContactsPositionneur

+

II. Conception des vannes mouvement linaire II.1. Vanne droite classique

a) clapet massif tourn simple sige et simple guidageAvantages : Construction simple ; tanche (ou quasiment) la fermeture.Inconvnients : trs nombreux Frottements importants au niveau du

presse-toupe ; Vanne ouverte, les pertes de charges sont

importantes ; La diffrence de pression agit sur le cla-

pet et impose un servomoteur puissantdonc coteux l'achat et consommateurd'nergie ;

Les effets dynamiques de l'coulementinduisent une stabilit dynamique pr-caire (vibrations, flexions, ...) d'o unemauvaise rangeabilit ;

Risque de bouchage avec liquide charg ; ...

Le dbit dpend de l'espace annulaire compris entre le cla-pet et le sige. Il suffit de profiler la forme du clapet pourdonner la loi intrin-sque de la vanne



Il existe des clapets rversibles per-mettant d'inverser le sens d'action ducorps de vanne par montage l'en-vers.

Symbolisation : clapet

sige

Construction : frquente rare

b) clapet massif tourn double sige ou / et double guidage

double sige Avantage Les forces de pression s'exerant sur le clapet du haut ont tendance s'annuler avec celles agissant sur le clapet du bas(tendance car les deux clapets n'ont pas la mme dimensionpour des raisons de montage).

Inconvnient Pas d'tanchit, le contact sige clapet ne peut tre assurer simultanment sur les deux obturateurs. Plus cher.

double guidage Avantage Amliore la stabilit de la caractristique de la vanne.Inconvnient Plus cher.



c) clapet moul en V simple (ou double sige) et simple (ou double) guidage

Avantages : Guidage incorpor ; quilibrage possible sur un clapet.Inconvnients : Fabrication plus difficile.

II.2. Vanne droite cagevanne ouverte vanne ferme

Si le mouvement de l'obturateur est toujours linaire, ce dernier ne lamine pas le fluide de lamme manire. Le fluide arrive perpendiculairement la cage et passe par un espace dtermin parla position d'un piston jouant le rle de clapet l'intrieur de la cage.



C'est la forme des trous pratiqus dans la cage qui dtermine la caractristique du corps de vanne.

Ouverture rapide Linaire gal pourcentage

Avantages : Forces de pression quilibres sur le piston ; tanche la fermeture ; Piston guid directement dans l'alsage de la cage ; Bonne rangeabilit (> 100) Possibilit d'utiliser des cages spciales pour les coulements critiques (voir chapitres suivants).Inconvnients : Corps droit non rversible ; Ne supporte pas les fluides chargs de particules ( cause du guidage piston / cage) ; Usinage de la cage complexe.

II.3. Vanne droite membraneLa membrane de vanne remplit lesfonctions du clapet. Le dbit dpend dela section libre entre la membrane et leseuil du corps de vanne.Afin de protger la membrane, la tigede servomoteur est quipe de butesde limitation de force.

Avantages : Pour fluides trs chargs ou trs

corrosifs ; Corps parfaitement tanche ; Bonne tanchit la fermeture.Inconvnients trs nombreux dus lamembrane en lastomre : Limit en temprature ; Perte de prcision pour cause de

mauvais vieillissement ; Pression maximale supporte faible ; Caractristique intrinsque parfois particulire (ni linaire, ni =%)



II.4. Vanne d'angleAvantages par rapport une vanne classique Peut tre installe la place d'un coude, son montage et son d-

montage sont facilits ; coulement moins perturb ; Peut utiliser des clapets massifs tourns, mouls

en V, cage.

II.5. Vanne glissire parallleElles sont gnralementutilise en tant quevanne ToR. De grandsdiamtres sont pos-sibles : jusqu' 2 m.

II.6. Vanne 3 voiesMlangeuse Rpartitrice

Caractristique de ces vannes : linaire sur le clapet suprieur linaire sur le clapet infrieur

ainsi le dbit traversant la vanne reste toujours le mme.

Trs utilises dans les installations de chauffage, elles permettent derguler le dbit de fluide passant dans un changeur de chaleur : r-gulation en temprature.



II.7. Vanne clapet rduit

II.8. Vanne micro-dbitPour des petits dbits donc des petitsdiamtres, le clapet prend la formed'une aiguille : Cv jusqu' 0,0003.

III. Conception des vannes mouvement rotatif III.1. Vanne papillon

Avantages : Corps de vanne passage direct donc trs

grand Cv ; Construction simple.Inconvnients : Le couple exerc par le fluide sur le disque de

l'obturateur est tel que cette vanne ne peut tra-vailler qu' faible p et sous une ouverturelimite 60 ;

tanchit dlicate obtenir la fermeturesauf utilisation d'un chemisage en lastomre ;

Certaines vannes papillons amliores permettent des ouvertures 90 grce unbon quilibrage des actions de pression d leur profil particulier :

clapet lgrement excentr ; clapet en forme de S ; ...



III.2. Vanne boisseau sphriqueAppele aussi vanne boule, l'obturateur estdans sa version la plus simple une sphre per-ce d'un diamtre gal celui de la conduite.Avantages : coulement direct peu perturb

donc grand Cv ; Adapte pour fluides chargs ou fibreux

(industrie papetire) ; Bonne tanchit la fermeture grce un

sige souple (joint lastomre) plaqu surla boule.

Inconvnients : Frottement important du joint d'tanchit sur la boule.

Ci-dessous une variante : obturateur en forme de segment sphrique avec une chancrure en V per-mettant de donner une caractristique (linaire ou =%), un micro-dbit ou d'viter la cavitation.

III.3. Vanne clapet excentrCe corps de vanne original (CAMFLEX conu par Masoneilan) est comporte un obturateur rotatifen forme de calotte sphrique dont le centre est dcal par rapport son axe de rotation.

Avantages : Sa construction originale diminue le couple

exerc par le fluide sur le clapet d'o unepuissance du servomoteur d'autant diminuepar rapport une vanne classique oupapillon ;

Pas de frottement du clapet sur un lastomreen cours d'ouverture d'o une puissance duservomoteur d'autant diminue par rapport une vanne boule ;

coulement direct assez peu perturb doncgrand Cv ;

Bonne tanchit la fermeture ; Bonne rangeabilit.Inconvnients : Usinage dlicat de l'obturateur.



IV. Motoriser la vanne IV.1. Rle de l'actionneur

L'actionneur a une double fonction : comme tout actionneur, il convertir une nergie d'apport

en nergie mcanique ; de plus il doit transformer le signal de commande Y, provenant du rgulateur, en une po-

sition h correspondante de la tige de clapet (action sur l'obturateur).Idalement, le lien entre h et Y sera linaire : h = A . Y + B

Cet actionneur de vanne s'appelle un servomoteur .

IV.2. Les nergies d'apport nergie lectrique : malgr son omniprsence elle est peu utilise du fait de la lenteur et du

cot des actionneurs lectriques et aussi cause des risques inhrents cette nergie dansl'industrie (incendie, lectrocution, explosion, ...) ;

nergie hydraulique : permet de dvelopper des forces importantes mais sa mise en place estcoteuse ;

nergie lectro-hydraulique : combinaison des deux prcdentes ; nergie pneumatique : c'est la plus utilise pour des raisons de scurit, de rapidit et

historiques ainsi que pour des raisons de simplicit de mise en uvre et de ralisation desactionneurs. On rencontre des servomoteurs pneumatiques membrane ou a piston, simpleou double effet pour obturateurs linaires ou rotatifs.

IV.3. Servomoteur pneumatiqueLe servomoteur pneumatique le plus courant est membrane simple effet. Il peut tre : action directe : la tige sort

du servomoteur lorsque le si-gnal augmente ;

action indirecte : la tige rentre dans le servomoteur lorsque le signal augmente ;

Exemple de servomoteurs Masoneilan direct et indirect

quip d'une commande manuelle rversible : l'assemblage du servomoteur dtermine l'action (il permet les deux actions).



Exemple de servomoteur Samson rver-sible

Une pression de commande pc (type 0,2 1 bar) proportionnelle au signal Y (0 100%) est envoy par le raccord de pression de commandedans le servomoteur. Elle agit sur une membrane paisse en caoutchouc synthtique (nitrile NBR,thylne propylne EPDM) renforce ou non d'une toile (nylon par exemple). Cette pousse sur lamembrane de section Sm dveloppe une force motrice Fm.

Fm = pc . SmCette force motrice dplace ou maintient en position la tige et donc le clapet de vanne.

IV.4. Vaincre les rsistances passivesLa force motrice Fm parviendra positionner la tige si elle vainc et quilibre toutes les forces anta-gonistes s'exerant sur la tige : la raction du(des) ressort(s) Fr, les forces de frottement Ffr, la forcedu fluide Ffl, la force de fermeture assurant l'tanchit dsire F. La linarit entre dplacement h

de la tige et valeur du signal pc estobtenue grce un (ou plusieurs)ressort(s) d'opposition.Ce dplacement h est gal l'cra-sement du (ou des) ressort(s) decompression de raideur Kr pr-contraint(s) de la valeur h0 :Fr = Kr . (h+h0)

Le frottement Ffr se rencontre surtout entre la tige et le presse toupe.Il s'oppose toujours au dplacement : dt diamtre de la tige en mm

valeur de f = 4 si joint en PTFE30 si joint en graphite

Remarque : c'est une force minimiser (graissage, ...) pour un bon fonctionnement. La force du fluide Ffl est due la diffrence de pression p sur les faces du clapet. On se place

dans le cas le plus dfavorable pour estimer Ffl c'est dire pmax lorsque l'obturateur est ferm:St section de la tige

Ffl = pmax . Ss pt . St pt pression cot tigeSt section du sigepmax = p1 max patm

Remarques : p = 0 si le clapet est quilibr ;Ffl est oriente suivant le sens d'coulement du fluide ; Ffl varie gnralement avec l'ouverture.


L 0

h 0h

Ffr = f . dt


Exemples de variation de Ffl % en fonction de l'ouvertureObturateurs clapet tourn

Obturateurs papillon

Pour assurer ltanchit il faut que latige pousse le clapet contre le sige avecune certaine force F. Lorsque cela estncessaire, on peut tenir compte de cetteforce. Elle est fonction de la classed'tanchit.

Finalement :Fm = Fr Ffr Ffl ( F) soit pc . Sm = Kr . (h+h0) Ffr (pmax . Ss pt . St) ( F) (a)

IV.5. Choix de l'actionneurPour faire un pr-choix d'actionneur, les constructeurs fournissent des tableaux de pression diffren-tielle admissible pmax tenant compte de la commande (soit pc), de la taille des servomoteur, tige etsige (Sm, St, St), du ressort (Kr), de la prcontrainte (h0), de la course (h).Finaliser ensuite le choix avec le constructeur.



IV.6. Rglages du servomoteur

De la relation (a) on tire : h=SmKrpch0

1Kr F fl F fr

introduit de l'hystrsisvarie avec la p donc la position hpermet de rgler le zro

donne la pente de la quasi-caractristique

Le servomoteur (et donc la vanne) ne comporte que deux rglages : la compression initiale du ressort h0 donne Fr0 permettant le dmarrage du clapet Fm0 ;

Remarque : Une prcontrainte n'est possible que sur les servomoteurs indirects. la longueur de la tige H pour obtenir la fermeture 1 bar.

Problmes rencontrs dans le cas 1 :Si Ffl0 > Fm0, alors rglage zro impossibleIl faut augmenter Fm :

choisir un actionneur plus grand augmenter pc

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)

Cependant le risque est de rendre Fr importante, lacourse correspondante H peut dpasser le dplace-ment maximal rglable.

Problmes rencontrs dans le cas 2 :Fr devient rapidement important, donc H aussi.


FmFfl

Fr

Fm

FrFfl

0,2

1 p c

(bar

) F

(%)

ouvert ferm pos. (%)

h

F m

Fr

Ffl

Fr

Fm

h 0

0

H

ouvert ferm pos. (%)

F m

Fr

Fm

Ffl

Fr

0,2

1 p c

(bar

) F

(%)

h

H

0

h 0

F m

Fr

Ffl0Fm0

0,2

1 p c

(bar

) F

(%)

h

0

H

Ressort en traction


V. Caractristiques intrinsques de la vanne V.1. Capacit du robinet

zoom sur la section de passage Sp

Le robinet de la vanne se comporte comme une restriction (organedprimogne) dont la section de passage Sp est variable. C'est ungnrateur de pertes de charges, normalement matrises.

J 12=U 2

2 avec coefficient de perte de charge singulire.

L'expression du dbit qv traversant la vanne devient similaire celle d'un OD :

p12

=q v

2

2S p2 ==> qv=2S p p12 ==> qv=kS p p12

Interviennent : la section de passage Sp ; la perte de charge p = p1 p2 ; la masse volumique du fluide ; un coefficient k dpendant du profil interne de la vanne, du type

d'coulement et du systme d'unit choisi ; il est considr constant.

La capacit du corps de vanne est le dbit maximum qv max qu'il laissepasser pleine ouverture Sp max.

Problme : cette capacit dpend de plusieurs paramtres (k, p, vus ci-dessus) et ne permet pasune comparaison immdiate entre deux corps de vanne.

V.2. Coefficient de dbitPour comparer des vannes diffrentes et effectuer un choix cohrent parmi celles-ci, on introduit uncoefficient de dbit C utilis pour noncer la capacit d'une vanne dans des conditions spcifies p 0, 0 et pour une ouverture donne, gnralement l'ouverture maximale.

toutes conditions : qv=kS p p aux conditions spcifies C=qv0=kS p p00 d'o, pour une vanne donne kS p=qv p=C 0 p0

soit C=qv 0 p0 p avec / 0 = d densit du fluideOrganes de rglages 16/40 P. Alary

qv=kS p pqv max=kS p max p


Kv Coefficient de dbit utilisant le Systme International d'unit

le coefficient Kv est le nombre de mtres cubes d'eau la tem-prature comprise entre 5 et 40C traversant en une heure unerestriction sous une chute de pression de un bar.

Cv Coefficient de dbit d'origine dfini en 1944 par un constructeur de vanne amricain

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

En Europe, nous travaillons dans le SI mais les constructeurs donnentsouvent le Cv, d'o l'intrt d'exprimer le Cv partir des units m - triques :

On parle de coefficient de dbit nominal Cv100 (appel parfois Kvs) lorsque la vanne est 100 % ou-verte H100. A la fermeture complte H0, les vannes de rglage ont gnralement un dbit de fuiteCv0 0 (leur rle n'est pas d'isoler une conduite).

V.3. Lien coefficient de dbit / corpsLes vannes de rgulation droites mouvement linaire couvrent un large spectre d'application cri-tiques ou non. Elles sont gnralement utilises sur les applications classiques. Alors que les vannesrotatives fort coefficient de dbit s'utilisent sur des grands diamtres en coulement non critique.

Nanmoins Cv gal, une petite vanne rotative peut avantageusement remplacer une vanne linaire.

Pour affiner le choix du type de vanne face au Cv ncessaire, voici un graphique guide. Il donne enfonction de l'ouverture (% pour une vanne linaire ; pour une vanne rotative) une plage du rapport100Cv

DN2 correspondant un type de vanne. Nota, le DN s'exprime mm.

Type de vanne :

boisseau sphrique intgral

papillon DN > 100 mmboisseau sphrique segment

papillon DN < 150 mm

soupape linairerotative clapet excentr


Kv=qv m3/hd 1 pb ar

Cv=qv gpmUS d 1 p psiCv=1,16qv d p


V.4. Lois intrinsques de variation du dbitDu simple fait de la forme de l'obturateur (sige +clapet) de la vanne, la section de passage Sp peut trediffrente pour une mme position de la tige de cla-pet. Ainsi il est possible de donner des lois diffrentesde variation de dbit en fonction de la course du cla-pet.

Caractristiques intrinsques de dbit dans desvannes classiques -->

Attention, ces caractristiques sont tablies dans lesconditions d'essais spcifies prcdemment pour lecoefficient de dbit Cv, soit p0 et 0 constants surtoute la caractristique.

Les trois lois les plus usits sont : Ouverture rapide (ou ToR) Le dbit augmente fortement pour une faible ouverture de vanne. Linaire Course et dbit sont proportionnels. gal pourcentage (= %) Le dbit suit une loi exponentielle la course. Pour une mme

variation de la course, la variation du dbit est, en tout point de la courbe, le mme pourcentage du dbit prcdent.

V.5. Rangeabilit intrinsqueA faible ouverture, la caractristique thorique de la vanne est difficilementmatrisable cause des jeux, des vibrations, de la finesse du profil de l'obtu-rateur. La plage de rglage intrinsque est le rapport des Cv maximum etminimum contrlables :Cette rangeabilit est de :

30:1 environ pour des vannes droites classiques caractristique linaire ; 50:1 environ pour des vannes droites classiques caractristique = % ; 100:1 au moins pour les vannes rotatives et ce jusqu' plusieurs centaines.


ri=Cv maximumCv minimum


VI. La vanne et l'coulement La fonction FC1 Travailler dans debonnes conditions est ici dveloppe en :

FC11 : Matriser un coulement liquide FC12 : Matriser un coulement gazeux FC13 : Matriser un coulement bipha-sique

VI.1. Matriser un coulement liquide : le phnomne de cavitationa) Description du phnomne de cavitation ...

Le propre d'une vanne est de provoquer unechute de pression variable pour grer le d-bit de l'coulement fluide la traversant. Unevanne est assimilable une restriction va-riable place sur une conduite droite.

La chute de pression entre l'entre et la sor-tie de la vanne n'est pas linaire. La pres-sion du liquide passe par une valeur mini-male pvc dans la vena contracta lieu ola section de l'coulement est la plus faibleet la vitesse la plus grande.

coulement normalla pression du liquide dans la vannereste toujours suprieure la pres-sion de vaporisation pv.

Cavitationpoint A : apparition de bulles de va-peur au sein du liquide car la pression du liquide devient infrieure pv.point I : implosion des bulles car lapression du liquide redevient sup-rieure pv ==> cavitation

Vaporisationla pression aval p2 est infrieure pv donc le liquide se vaporise en partie.

b) ... et ses consquencesLa cavitation provoque des ondes de pression pouvanttre de grande intensit (jusqu' 7000 bar). Cela pro-voque : des arrachements de matire sur les surfaces du cla-

pet et du sige, du corps, ... voire une rupture ; des vibrations et du bruit ; la saturation de l'coulement : la capacit de la

vanne est rduite.



Courbe dbit / perte de charge dans la vanne

Kc p1 pvc F L p1 pvc p

Les consquences qui en dcoulent court ou moyen terme sont : une perte de performance ; une p fluctuante ; des cots de maintenance levs.

la vaporisation, on obtient un mlange liquide / vapeur dont la vitesse est grande : jusqu' la vi -tesse du son. Le bruit peut alors devenir insoutenable et l'rosion des matriaux environnantsimportante (vanne et conduite aval).

c) Comment prvoir le rgime critique ...Dans le cas gnral, il faut vrifier que la perte de charge dans la vanne soit infrieure la perte decharge critique :

p pcritique avec pcritique=F L2 p1F Fpv et F F=0,960,28 pvpc

FL coefficient de dbit critique fourni par le constructeur de la vanne (voir tableau)FF facteur critique de rapport de pression du liquidepv pression de vapeur saturante la temprature du fluide (bar abs)pc pression au point critique thermodynamique (bar abs)

Si l'on veut viter toute cavitation, il faut alors vrifier p pdbut cavitation=Kc p1pvKC coefficient de dbut de cavitation fourni par le constructeur de la vanne

(s'il n'est pas fourni prendre KC = FL3)d) ... et s'en prvenir ?

La p travers la vanne choisie et la temprature du liquide sont parfois tels qu'il n'est pas toujourspossible d'viter la cavitation. Malgr tout quelques solutions sont possibles pour la faire disparatre. Augmenter le facteur de dbit critique FL :

changer le sens de passage dans la vanne changer l'obturateur changer de vanne



loigner pvc de pv : augmenter p1 et p2 avec une pompe plus puissante sur le circuit (coteux) augmenter p1 et p2 en plaant la vanne le plus bas possible sur le circuit pour agrandir la

colonne de fluide diminuer la p dans la vanne en modifiant l'installation (souvent difficile) diminuer pv en refroidissant le liquide (coteux)

Fractionner la p remplacer la vanne par plusieurs vannes en srie utiliser un obturateur anti-cavitation

VI.2. Matriser un coulement gazeux : l'coulement soniquea) Description du phnomne et ses consquences

La chute de pression dans une vanne entrane pour un fluide compressible une baisse de masse volu-mique. Pour conserver un dbit massique constant aux mmes diamtres amont et aval, la vitesse dugaz crot.Comme pour les fluides incompressibles, on arrive un rgime critique : le dbit n'augmente plusmme si la chute de pression augmente lorsque la vitesse du fluide devient sonique dans la venacontracta.Contrairement la cavitation, ce rgime critique n'est pas destructeur hormis la saturation du dbit,les vibrations et l'rosion qu'il engendre. Cependant il faudra vrifier que la vitesse en sortie devanne ainsi que le bruit ne dpassent pas les seuils autoriss.

b) Comment prvoir le rgime critique Dans le cas gnral, il faut vrifier que la perte de charge dans la vanne soit infrieure la perte decharge critique :

p pcritique avec pcritique= xTFp1 et F=

1,4xT Facteur de rapport de pression diffrentielle fourni par le constructeur (voir tableau).F Facteur de correction correspondant au rapport des chaleurs massiques.

Remarque : xT et FL sont en corrlation : xT0,84F L2

VI.3. Matriser un coulement biphasiqueIl n'y a pas ce jour de norme dfinie pour ce cas de figure. Il faut alors utiliser les mthodes de cal-cul des constructeurs de vanne.



VI.4. Rsister l'coulement : les vitesses limitesa) Vitesses limites pour liquides

Les vitesses limites habituelles dans les conduites doivent tre respectes (cours transportdes liquides ).

On limite la vitesse d'entre U1 dans la vanne pour prvenir les problmes d'rosion surtouten cas de convergent :

U 1=354qvd v

2U 1maxLiquide

1Charg

de 0,6Propre 1

Avec qv dbit volumique m3/hdv DN de la vanne mm

Corps2

Acierde 0,75

Inox ou alliage nickel 1

U 1 max=12310 m/ s les coefficients ci-contre

Utilisation3

Continuede 1

Intermittente 1,4 ...

On vrifie aussi la vitesse au niveau de l'obturateur :

U obt.=318 p U obt. max p chute de pression bar1 masse volumique du liquide T1 kg/m3Si Uobt. Max > 20 m/s alors prendre un obturateur multi-tag ou anti-cavitationSi Uobt. Max > 60 m/s alors il faudra une gomtrie (corps, obturateur, ...) spciale (viter)

b) Vitesses limites pour gazLes gaz tant compressibles, la chute de pression au travers d'une vanne engendre une dtente sasortie. Cette dtente provoque une augmentation de vitesse. Cette vitesse ne doit en aucun cas d-passer la vitesse du son sinon l'onde de choc produite serait trs bruyante et dommageable.

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

Ma=0,0135qv

p2d2

MT

MamaxGazVapeur

1

ChargSature

de 0,8

PropreSurchauffe 1

Avec qv dbit volumique m3/hp2 pression sortie bar absdv DN de la vanne mm

Corps2

Acierde 0,75

Inox ou alliage nickel 1

M masse molaire g/molT temprature K rapport chaleur massiqueMamax=1 230,5

Utilisation3

Continuede 1

Intermittente 1,4 ... suivant fr-quence

VI.5. Stopper l'coulement : dbit de fuiteLes vannes de rgulation ne sont gnralement pas destines stopper compltement un coule-ment. Mme fermes, elles fuient souvent au niveau de l'obturateur. Ce dbit de fuite fait l'objetd'une norme. Les vannes sont classes en 6 classes : de I (accord client / fournisseur), II (dbit defuite < 0,5 % dbit nominal) , ... jusqu' VI.

VI.6. Calcul du Cv requisPour amliorer le calcul du Cv requis permettant de matriser l'coulement, on introduit certains co-efficients correcteurs : voir le tableau rcapitulatif ou norme CEI 534-2



VI.7. Tableau rcapitulatif

coulement li-quide turbulent

d = 1 / 0 : densit par rapport l'eau 15C0 : masse volumique de l'eau 15C kg/m31 : masse volumique du liquide T1 kg/m3p : chute de pression barqv : dbit volumique m3/h

coulements critiques si p pcritiquealors remplacer p par pcritique=F L

2 p1F Fpv

p1 pression amont bar absFL coefficient de dbit critique (voir tableau page suivante ou constructeur)FF facteur critique de rapport de pression du liquidepv pression de vapeur saturante la temprature du fluide bar abspc pression au point critique thermodynamique bar abs

coulement li-quide laminaire

Le Cv sera divis par un facteur FR calcul itrativement partir du nombre deReynolds, du Cv et du type de vanne (facteurs FL et Fd).

Voir norme ou documents constructeurscoulement ga-

zeuxd = 1 / 0 : densit par rapport l'eau 15C0 : masse volumique de l'eau 15C kg/m31 : masse volumique du gaz p1, T1 kg/m3p : chute de pression barqv : dbit volumique p1 et T1 m3/hqm : dbit massique kg/h

Y : facteur de dtente Y=1x

3 F xT et x=

pp1

coulements critiques si p pcritiquealors remplacer p par pcritique= xTFp1 et Y = 2/3

p1 pression amont bar absxT Facteur de rapport de pression diffrentielle (voir tableau page suivante

ou constructeur) Rapport des chaleurs massiquesF Facteur de correction correspondant au rapport des chaleurs

massiquescoulement

avec convergent/ divergent

Le Cv sera divis par un facteur FP dpendant des pertes de charges engendre par les convergent et divergent.

Voir norme ou documents constructeurs

Nota l'indice 1 fait rfrence l'entre de vanne, le 2 la sortie. la norme IEC 60534 et les diffrents constructeurs de vannes peuvent proposer des ex-

pressions du Cv diffrentes mais menant au mme rsultat.


Cv=1,16qv d p

Cv=1,16qv

Y d p

F F=0,960,28 pvpc

Cv=qm

27,3Y p1

F=

1,4


VI.8. Tableau des facteurs FL, xT, FdType de vanne Obturateur coulement FL xT Fd

Vanne soupapesimple sige

Clapet V port 3 V tendant ouvrir oufermer 0.9 0.70 0.48



Clapet tourn parabolique tendant ouvrirtendant fermer0.90.8

0.720.55

0.461.00

Cage avec 60 trous de mme dia-mtre

depuis intrieur ouextrieur 0.9 0.68 0.13

Cage avec 120 trous de mme dia-mtre

depuis intrieur ouextrieur 0.9 0.68 0.09

Cage 4 lumires depuis intrieur ouextrieur0.90.85

0.75 0.70

0.410.41

Vanne soupapedouble sige

Clapets V port arrivant entre lesdeux siges 0.9 0.75 0.28

Clapets tourns dans les deux di-rections 0.85 0.70 0.32

Vanne d'angle

Clapet tourn parabolique tendant ouvrirtendant fermer0.9 0.8

0.720.65

0.461.00

Cage 4 lumires depuis intrieurdepuis extrieur0.9 0.85

0.65 0.60

0.410.41

Venturi tendant fermer 0.5 0.20 1.00

Vanne micro-dbitEncoche en V tendant ouvrir 0.98 0.84 0.70

Sige plat (course rduite) tendant fermer 0.85 0.70 0.30Aiguille conique tendant ouvrir 0.95 0.84

Vanne rotative

Vanne papillon (cen-tre)

Obturateur sphrique excentr tendant ouvrirtendant fermer0.850.68

0.600.40

0.420.42

Obturateur conique excentr tendant ouvrirtendant fermer0.770.79

0.540.55

0.440.44

Non excentr (70) dans les deux di-rections 0.62 0.35 0.57

Non excentr (60) dans les deux di-rections 0.70 0.42 0.50

Disque dentel (70) dans les deux di-rections 0.67 0.38 0.30

Vanne papillon (ex-centre) sige dcal (70)

dans les deux di-rections 0.67 0.35 0.57

Vanne boisseausphrique

Passage intgral dans les deux di-rections 0.74 0.42 0.99

Passage segment dans les deux di-rections 0.60 0.30 0.98



VII. La vanne et son environnement La fonction FC1 S'adapter l'environnement estici dveloppe en :FC21 : Raccorder la conduite FC22 : Rendre accessible FC23 : Satisfaire aux normes environnementales FC24 : Rsister au fluide

VII.1. Raccorder la conduitea) DN

La taille des vannes est dfinie par le diamtre nomi-nal DN normalis comme les diamtres de conduites.Il faudra toujours choisir : DNconduite DNvanne DNconduite

b) Convergent / divergentSi le DNvanne < DNconduite alors il faut placer en amont de la vanne un convergent, en aval un di-vergent. 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 1.2.3d) Montage

La vanne doit tre place si possible verticalement, servomoteur en haut.sans commande manuelle avec by-pass avec commande manuelle sans by-pass

(Ici la maintenance supposeun arrt de production)

e) Emplacement sur le circuit Rgulation de pression d'un liquide ou un gaz

Si rgulation de pression amont :placer la vanne en aval du capteur

PT

PC

PCV

Si rgulation de pression aval (dtente) :placer la vanne en amont du capteur

PT

PC

PCV

Rgulation de dbit sur liquideInstaller la vanne en aval du capteur est gnralement prfrable en res-pectant les distances d'implantation du capteur de dbit pour ne pasfausser la mesure.


FT

FC

FCV

Longueur droite amont aval


Si la vanne est place en amont du capteur, alors la mesure peuttre fausse par :

l'coulement perturb en sortie de vanne ; un risque de vaporisation ; une longueur droite amont capteur mal respecte.

Rgulation de dbit sur gazSur un gaz, la chute de pression dans la vanne entrane une baisse de la masse volumique et doncpour un dbit massique donn, la vitesse augmente en aval. Et donc la perte de charge dans le cir-cuit aval aussi.

Vanne monte en d-but de circuit

Vanne monte enfin de circuit

L'emplacement de la vanne dtermine la p prendre en compte pour le calcul de Cv. Dans le 2mecas, la p est plus grande d'o un risque d'coulement critique dans la vanne.

VII.2. Rendre accessiblePour le montage bien sr, mais aussi pour tout dmontage ou entretien, la vanne doit tre accessiblesur un assez large primtre l'installateur et tout oprateur de maintenance.

VII.3. Rsister au fluidea) Matriaux

Le choix du ou des matriaux constitutifs de la vanne dpend de la nature du fluide, mais aussi de sapression et sa temprature. L'rosion due au passage du fluide grande vitesse est trs souvent d-terminante pour le choix des clapets et siges de vanne. Se rfrer au constructeur de vanne en casde doute. Matriaux les plus usuels pour le corps :

matires traditionnelle aptes au moulage : fonte ou bronze en perte de vitesse ; aciers au carbone pour usage gnral (jusqu' 400C) ; aciers inoxydables (bonne tenue la corrosion, T >400C ou T < -100C) ;


FT

FC

FCV


aciers allis trs durs rsistant bien l'rosion ; matriaux spciaux tels que les alliage type monel , hastelloy , bronze, ... les m-

taux purs tels que le nickel, le titane, le tantale, ... les matires plastiques telles que le PTFE, ... les cramiques gnralement utiliss pour leur rsistance la corrosion.

Matriaux les plus usuels pour sige et clapet : aciers inoxydables fort pourcentage de chrome avec traitement de surface pour augmenter leur duret.

Matriaux les plus usuels pour la garniture (presse-toupe) : PTFE ou graphite ;b) Pression nominale PN

Toute enveloppe sous pression(conduite, rservoir, corps devanne, ...) doit avoir une paisseursuffisante pour rsister aux conditionsde service.

Remarque : la pression admissible di-minue avec la temprature.

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

VII.4. Satisfaire aux normes environnementalesa) tanchit de la vanne

Pour des questions environnementales mais aussi conomiques etde performance, la vanne ne doit pas fuir vers l'extrieur.Outre le raccordement la conduite (1) ou une fissure d'enveloppe(3 choix PN), les risques de fuite se situent au niveau de tous lesjoints d'tanchit statique de la vanne notamment entre le chapeauet le corps de vanne. Mais le point le plus sensible est le pressetoupe zone d'tanchit dynamique entre la tige et le corps devanne.Le presse toupe est constitu d'un jeu de garniture cras par unressort de faon tablir une pression garniture / tige et garniture /corps suprieure la pression du fluide. La compression du ressortdoit tre gnralement rgle la main.En cas de conditions extrmes, on utilise un soufflet mtallique laplace du presse toupe.

Nota : l'tanchit dynamique est plus facile obtenir en rotation (vanne rotative) qu'en translation.b) Bruit

Le bruit mit par la vanne doit reste en de des normes de confort minimal des personnes proxi-mit (par exemple 85 dB pour une exposition permanente). De plus une vanne bruyante est unevanne qui travaille dans des conditions svres ou de mauvaises conditions.Limiter les vitesses de fluide est un bon moyen de limiter le bruit. Cependant une tude plus appro-fondie peut tre envisage : voir norme CEI 534-8.



VIII. La vanne et la commande Les fonction FC3 S'adapter l'nergie et FC4 Re-cevoir le signal de commande sont ici dveloppe en :

FC31 : Convertir le signal de commande FC41 : Asservir la position de l'obturateur FC42 & FC32 : Scuriser le processus FC43 : Partager le signal sur deux vannes

VIII.1. Convertir le signal de commandeLe signal issu du rgulateur peut tre de nature diff-rente du signal accept par le servomoteur :

par exemple Yrgulateur = 4 .. 20 mA Yservomoteur = 200 .. 1000 mbarDans ce cas, il faut utiliser un convertisseur i/p (courant / pression)

1 Flau2 Bobine mobile3 Aimant permanent6 Palette7 Buse8 Restriction primaire9 Amplificateur de dbit10 Restriction de dbit

VIII.2. Asservir la position de l'obturateur

Le positionnement du clapet de vanne par rapport au sige est souvent perturb comme on l'a vuprcdemment par : les frottements au niveau des guidages et tanchits ; la pousse variable du fluide sur le clapet ; le vieillissement de la mcanique (ressort, membrane, ...).Pour amliorer la prcision de la position du clapet, on va l'asservir avec un relais d'asservissementou positionneur .

En plus d'apporter l'avantage de l'asservissement, le positionneur permet en plus de : convertir le signal du rgulateur (fonction convertisseur), on parle de positionneur pneumatique

(entre 0,2-1 bar / sortie 0,4-2 bar ou 0,6-3 bar ou ...) ou lectro-pneumatique (entre 4-20 mA /sortie 0,4-2 bar ou 0,6-3 bar ou ...) ;

diminuer le temps de rponse grce l'amplificateur de dbit ;


VANNE DE RGLAGEGrandeurRglante

- dbit

YConvertisseur

Servo-moteur Robinet

Potentiomtre

h

H

Ym

+-

+

ContactsPositionneur

+

nergie auxiliaire


inverser ou non le sens d'action de la vanne ; modifier si ncessaire la caractristique intrinsque de la vanne (exemple positionneur came) ; partager l'tendue du signal sur deux vanne.

Exemple de positionneur quilibre de force

Ce positionneur est bas sur le principe dun mcanisme quilibre de force la pression dun signal pneumatique applique sur un diaphragme est oppose la force dun res-

sort de contre-raction. partir de ltat dquilibre, si le signal pneumatique varie, lensemble diaphragme se dplace.

Le mouvement entrane le tiroir du pilote qui est pouss par le ressort de rappel.Le pilote est un distributeur tiroir trois voies. Le tiroir rgle les dbits dair comprim delalimentation vers la sortie sur lactionneur et de la sortie vers lorifice dchappement. La posi-tion de ce tiroir, commande par le diaphragme, dtermine la pression de sortie du positionneur. Le dplacement du tiroir met le circuit de sortie en communication avec le circuit dalimentation

ou lorifice dchappement, modifiant ainsi la pression applique sur lactionneur. La pression applique sur la membrane pousse l'ensemble tige / clapet. Une came li la tige est

entrane en rotation par un embiellage.La came est llment intermdiaire, dans le dispositif de contre-raction, entre lactionneur etle ressort du positionneur. Son profil dtermine la relation entre la position de lobturateur de lavanne et le signal mis par le rgulateur. Les caractristiques linaire, linaire en cascade(split-range), ou gal pourcentage sont disponibles par slection du secteur appropri sur lescames. Des profils de came pour caractristiques spciales peuvent tre raliss. La came transmet le dplacement de lobturateur de la vanne au ressort de contre-raction. Lob-

turateur de la vanne continue son mouvement jusqu ce que la force du ressort quilibreexactement celle dveloppe par la pression du signal pneumatique sur le diaphragme.

A ce nouvel tat dquilibre, la position de lobturateur de la vanne devant le sige correspond celle demande par le signal du rgulateur.



VIII.3. Scuriser le processusPour des raisons de scurit , il est fondamental de connatre la position de repli d'une vanne lors-qu'une dfaillance d'alimentation en nergie ou une dfaillance de signal de commande surviennent.

a) Dfaillance d'nergie1

Vanne caractristique directe : elle se Ferme par Manque d'Air FMAVanne caractristique inverse : elle s'Ouvre par Manque d'Air OMA

Associationservomoteur / corps

= vanne

Direct Inverse

OMA FMA

FMA OMA

1 Valable pour toute vanne avec ou sans positionneurb) Dfaillance de signal

En l'absence de signal de commande, une vanne quipe d'un positionneur peut tre NormalementOuverte ou Normalement Ferme par l'nergie motrice selon le sens d'action global de cet quipage.

Associationvanne / positionneur

Vanne FMA Vanne OMA

Positionneur direct NF NOPositionneur inverse NO NF

c) Maintien de la position lors d'une dfaillance d'nergieUne vanne ToR se ferme en cas de chute brutale de la pression d'ali-mentation. La pression dans le servomoteur est ainsi isole du signal depression fourni par le positionneur. ==>

d) Codification sur schma TI

robinet droit soupape + actionneur

pneumatique membrane

FO : fail open(ouvert par

manque d'air)

robinet tournant papillon +

actionneur pneu-matique mem-brane avec posi-

tionneur

FC : fail closed(ferm par

manque d'air)

robinet tournant boule + actionneur lectrique (moteur)

FL : fail locked(bloqu par

manque d'lectricit)

robinet droit soupape + actionneur

pneumatique piston

FI : fail indeter-minate (positionindtermine par

manque d'air)

OU

FO FC

FL FI


FCFO FI

M

FL

FC

FL


VIII.4. Partager le signal sur deux vannesCette fonction est utilise si la rgulation ne peut tre couverte par une seule vanne :

a) Structure type chaud / froid Cette structure est utilise lorsque la commande doit agit sur deux vannes : une vanne de froid et une vanne de chaud.

b) Structure grande rangeabilit tale sur deux vannes en parallleSi une grande rangeabilit sur le dbit est ncessaire, alors il faut utiliser plusieurs (deux en gnral)vannes en parallle aux Cv tags.

Remarque : Cvtotal = Cv1 + Cv2

c) Deux stratgiesLors de rgulation split-range , les deux organes sont donc pilots partir dune seule com-mande.Deux solutions sont possibles : on ralise un dcalage des zros et 100 % des vannes de faon ce que la premire souvre 0

% et se ferme , par exemple, 50 % du signal de commande, la deuxime sera ferme jusqu 50% puis souvrira jusqu 100 % du signal : rglages et maintenance plus ardus ;Des positionneurs cames ou numriques facilitent l'opration.

on utilise un bloc de calcul sparant la commande en deux signaux, chaque signal commandantune sortie analogique. Les vannes sont rgles de manire standard et non plus dcale, ce quisimplifie la maintenance.


...C 0 50 %

50 100 %

FO

FC

...C 0 50 %

50 100 %

FC

FC


IX. La vanne dans la boucle de rgulation La fonction FP1 Agir sur la grandeurrglante du processus, gnralement undbit, suivant le signal de commande est ici dveloppe en :

IX.1. Gain statique de la boucle de rgulation

a) Rappel : le gain d'un appareil est aussi appel sensibilit G = S = GsG e

il dpend de la caractristique de l'appareil (ou du composant), par exemple une caractristique li-naire correspond un gain constant.

caractristiquetypique(ou idale)

ou inverse

caractristiquerelle

Quasi-linarit

est-ellerglable ? oui

RsolutionHystrsisJeux, ...

positionneur

Distorsion du dbit en fonctiondu circuit

choix de la loi

Systme peu trs perturb

non

Quasi-linarit

zro, chelle, linarit



b) Gain global statique - RgleChaque lment de la boucle a sa propre caractristique et son propre gain. Les rglages de chaqueappareil et surtout du rgulateur permettent d'optimiser le comportement de la boucle de rgulationet notamment le gain global G=GrGvGsGc ; c'est dire garder la grandeur rgle X le plusproche et le plus rapidement possible de la consigne W malgr les perturbations Z.Si, pour un raison quelconque, le gain global G devait changer, alors la boucle verrait ses perfor-mances diminuer :

si G > Goptimal alors la rgulation risque d'osciller si G < Goptimal alors la rgulation devient molle et peu performante

Pour viter cette situation, il faut respecter la rgle suivante :

Rgle : Le gain statique global de la boucle de rgulation ouverte doit tre constant

c) Application de la rgleEn gnral, le gain du rgulateur Gr et du capteur Gc sont constants. Donc le produit Gv Gs doit rester constant pour respecter la rgle.

Agir sur la caractristique de la vanne Gv2Exemple : rgulation de la temprature d'un four

La caractristique du corps + obturateur de vanne doit compenser celle du four pour maintenir la ca-ractristique globale linaire et donc le gain global constant.Pour satisfaire la rgle, il est ncessaire de bien connatre la caractristique de la vanne quel quesoit le dbit (voir 9.2).

Agir sur la caractristique du servomoteur (ou plutt du positionneur) Gv1Si l'action sur la caractristique de l'obturateur n'est pas probante, il faudra se rabattre sur celle duservomoteur (souvent peu mallable), ou celle du positionneur. Avec un positionneur came ou in-telligent, on peut obtenir une multitude de caractristiques permettant de compenser celle dusystme.

Agir sur la caractristique du rgulateur GrSi la caractristique de la vanne n'est pas ngociable, alors il faudra agir au niveau de celle du rgu-lateur. C'est possible avec les rgulateurs numriques modernes.On parle alors de rgulation Auto-Adaptative. Lide de ce type de rgulation est de calculer par desalgorithmes appropris et en temps rel le modle du procd commander (vanne + systme + l-ment primaire du capteur). On dtermine ainsi les paramtres ou la structure du rgulateurnumrique en fonction du critre d'optimalit impose.



IX.2. Caractristique intrinsque d'une vannea) Dfinitions des termes :

Dans tout ce qui suit, on considre des vannes FMA. Le raisonnement serait invers pour desvannes OMA.

Soit h la course utile de la tige de vanne ; h% est la course relative utile en % : h0 est le dbut de la course utile de la tige de vanne (le dbit devient contrlable) ; h100 =1 est la fin de la course utile de la tige de vanne (soit l'ouverture quasi-complte).

Soit le coefficient de dbit Cv de la vanne ; Cv% (ou ) est le coefficient de dbit relatif en %suivant l'ouverture de la vanne :

Cv(h%) est le coefficient de dbit h% ; Cv0 est le coefficient de dbit relatif de vanne h0 ; Cv100 est le coefficient de dbit relatif de vanne h100 ; soit Cv100 = 1 Cv(h100) = Cv donn par le constructeur ;

il dpend de la caractristique intrinsque de la vanne (voir 9.2.2 ci-dessous) ; Soit q le dbit au travers de la vanne ; q% est le dbit relatif au travers de la vanne en % :

q(h%) est le dbit h% ; q0 est le dbit relatif h0 ; q100 =1 est le dbit relatif h100 ; q dpend du Cv, mais aussi de la perte de charge p engendre par la vanne.

Lorsqu'un constructeur de vanne tablie la capacit d'une vanne, il le fait p constante (revoir d-finition du Cv ou Kv).

Cv%==Cv h%Cv h100

et si pv=Cte alors q%=

q h%q h100

=

Cv h%1,16

pvdCv h100 1,16

pvd=

Cvh%Cvh100

=Cv%

b) Diffrentes caractristiqueslinaire gal pourcentage racine carre

Cv%=11r i h%1r i Cv%=rih%1 Cv%=11ri h%1ric) rangeabilit intrinsque

Rapport entre les Cv maximum et minimum contrlables : r i=Cv h100Cv h0

=Cv100Cv0

=1Cv0

=10

Ordres de grandeur :Vannes linaires ri = 25:1 (moyenne qualit, clapet rduit) 50:1 (bonne qualit), voire 100:1Vanne rotative ri = 100:1 (clapet excentr) 200:1 (clapet boule ou papillon), voire 300:1


q%=q h%q h100

Cv%==Cv h%Cv h100


IX.3. Caractristique installe d'une vanneLa caractristique d'une vanne est modifie par le circuit dans lequel elle est installe.

a) Circuit court sans pertes de charge pv(h=50%) pv(h=100%)p1

p2

Quel que soit le dbit, la parte de charge engendre par la vanne pv est toujours la mme.Donc q% est toujours gal Cv%.

b) Circuit avec pertes de charge p1

p2

La parte de charge engendre par la vanne pv varie avec le dbit : pv(h100) < pv(h50) < pv(h0)

donc pv h50 pv h100

1 et sachant que pour une vanne linaire Cv50=Cvh50Cvh100

=12 , alors on a :

q50=qh50qh100

=Cvh50Cvh100

p h50 p h100

=Cv50 ph50 ph100 12 donc q% est suprieur Cv%.c) Circuit long avec pompe p1

p2

La parte de charge pv varie encore plus avec le dbit : pv(h100)


d) AutoritLorsque la perte de charge engendre par la vanne est plus faible pleine ouverture qu' la ferme-ture, on dit que la vanne perd de l'autorit sur le circuit.

L'autorit est le terme A = pv h100 pv h0

au 1er cas ( 9.3.1) A = 1 au 2me cas ( 9.3.2) A < 1 au 3me cas ( 9.3.3) A


IX.5. Gain de l'obturateur de vannelinaire gal pourcentage

Srie de courbes reprsentant le gain de l'obturateur de vanne en fonction du dbit relatif Gv2= q h

Le gain fluctue en fonction de l'autorit de la vanne et du dbit relatif, donc de l'ouverture de vanne. En consquence, il est difficile de respecter en permanence la rgle gain constant . Nanmoins, on admet en rgle gnrale que pour conserver une boucle de rgulation optimale :

le gain doit rester entre 0,5 et 2 sur toute la plage de travail : 0,5 < Gv2 < 2

Ce qui impose les choix de caractristique de vanne suivants :Autorit totale

A = pv h100 pv h0

Autorit correspondante qmax

Aqmax = pv h90 pv h0

Caractristique intrinsque pour une ca-ractristique installe optimale

(aussi linaire que possible)

A 0,1

0,1 < A 0,15

0,15 < A 0,3

Aqmax 0,27

0,27 < Aqmax 0,31

0,31 < Aqmax 0,43

gal pourcentage (selon norme)

gal pourcentage jusqu' h = 80 %

gal pourcentage modifie0,3 < A 0,5

0,5 < A 1

0,43 < Aqmax 0,6

0,6 < Aqmax 1

Linaire modifie

Linaire

IX.6. Choix du coefficient de dbitPour choisir une vanne, il est absolument ncessaire de connatre le circuit dans lequel elle est ins-talle afin de dfinir les valeurs de pression amont et aval de la vanne quel que soit le dbit la tra -versant. On en dduit les pertes de charge que doit engendrer la vanne suivant le dbit. En dcoulentl'autorit de la vanne A ainsi que les termes ncessaires au calcul du Cv.Choisir la vanne en respectant les consignes suivantes : Prendre une caractristique intrinsque optimale (voir les paragraphes prcdent et suivant) ; Calculer le Cv au dbit nominal ==> Cvcalcul Si la consigne est fixe, prendre Cv 1,3 Cvcalcul si vanne linaire

un Cv de vanne tel que : Cv 2 Cvcalcul si vanne =% Si la consigne est variable, l'idal tant de connatre aussi les Cv aux dbits mini et maxi pour

un meilleur choix. Prendre un Cv de vanne tel que : h 10% Cv(qmini) h 30% 70 % Cv(qnom) h 80% Cv(qmaxi)

Passer en chelle partage sur deux vannes si la condition prcdente ne peut tre ralise.

Ainsi le dbit nominal devrait tre atteint pour une ouverture de vanne h comprise entre 30 et 70 %,zone de travail de prdilection.



IX.7. Choix de la caractristique intrinsque ; Recommandationsa) Considrations initiales

PerturbationsOn suppose que le systme subit une perturbation principale. Les autres tant ngligeables.ConsigneSi la rgulation se fait un point de fonctionnement toujours fixe, alors une caractristique intrin-sque aussi proche que possible de l'gal pourcentage est gnralement la plus conomique,indpendamment de l'autorit A.Si la consigne change frquemment, par exemple dans le cas d'une poursuite, on parlera de consigne variable . Dans ce cas, le choix de la caractristique est bas sur l'autorit. Ainsi on peututiliser non seulement les deux formes de base - gal pourcentage et linaire - mais aussi diversescaractristiques modifis.Caractristique intrinsqueLe symbole = (voir tableaux ci-dessous) signifie que les paramtres de la boucle de rgulationrestent constant. Le symbole signifie que les paramtres de la boucle de rgulation changent encas de changement de la consigne ou de la perturbation.

b) Rgulation de dbitCe sont les plus communes. Gnralement, le capteur fournit un signal proportionnel au dbit (~ q) :par exemple, organe dprimogne + PDT + extraction de racine carre.

paramtres du fluide : temprature viscosit masse volumique

A = p100 / p0

Consigne W Mesure X A Perturbation principale Caractristique intrinsqueconstante ~ q

~ q

= 1 pa, pg, , , = gal%

linaire si W1 W2~ q

~ q

< 1 pa, pg, R1, R2, , , gal%

variable ~ q

Avec extractionde racine carre

= 1 Perturbation ngligeable = linaire > 0,3 linaire 0,3 gal%

~ q

Sans

= 1 linaire < 1



c) Rgulation de niveau

Vs = Lw / Q = constantA = p100 / (pa - pi)A = 1 si R1 = R2 = 0

Consigne W A Perturbation principale Caractristique intrinsqueConstante

variable

= 1Qin

pa, pi, , ... = gal%

gal% < 1 pa, R1, pi, , ...

Constante

variable

= 1Qout

pg, R2, (pi) = linaire > 0,3 pg, R2, (pi) linaire 0,3 gal%

d) Rgulation de tempratureLes rgulations de temprature prsentent de nombreuses variantes. On s'attache ici n'examinerque deux types de rgulation trs courante :

le flux de chaleur fournie est indpendant de la temprature du produit :surchauffeurs, brleurs.

Remarque : en rgle gnrale, le temps de r-ponse du systme contrl >> temps de rponsede l'quipement de contrle.

constante de tempsAE temprature du produitF temprature de la flamme0 temprature nominale coefficient d'change de chaleurQw dbit du carburantQp dbit du produit nergie par unit de volume masse volumiqueCp capacit calorifique massiqueV = p100 / (pa p0) = 1 ; R1 = 0

Consigne W A Perturbation principale

Caractristique intrinsque pour des performances enstatique dynamique

Constante = 1 pa, R1, , , Cp = gal% < 1 Qw gal% 0,3 Qp gal% > 0,3 linaire

Constante

variable

= 1 E , 0 = linaire 0,3 gal% > 0,3 linaire



le flux de chaleur fournie dpend de la temprature du produit :changeurs de chaleur, autoclaves.

Des tudes dtailles ont confirm qu'une caractristique gal pourcentage devrait toujours treprfre.

e) Rgulation de pressionToujours prendre une caractristique gal pourcentage.

Ici, le gain q h ne doit pas tre utilis pour slectionner la caractristique mais plutt :

p1 h

pour un dversoir ;

p2 h

pour un dtendeur ;

ou p1 p2 h

pour une pression

diffrentielle.

ParamtrespL100 perte de charge dans le systmep100 perte de charge dans la vanne

Consigne W pL100 Perturbation principale Caractristique intrinsqueConstante 0 pa, R2, pg = gal%Constante 0 pa, R1, R2, pg gal%variable 0, 0 gal%


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