Vannes à bille pneumatiques et électriques - Leur fonctionnement

Vannes à bille pneumatiques et électriques - Comment fonctionnent-elles ?

Robinets à bille pneumatiquesRobinets à bille électriques

Figure 1 : Robinets à bille pneumatiques (à gauche) et électriques (à droite)

Les vannes à bille peuvent être combinées avec un actionneur pneumatique (vannes à bille pneumatiques) ou un actionneur électrique (vannes à bille électriques) pour l'automatisation et/ou la commande à distance. Selon l'application, il peut être plus avantageux d'automatiser avec un actionneur pneumatique qu'avec un actionneur électrique, ou vice-versa. Dans cet article, nous allons comparer ces deux options. La figure 1 montre un exemple de combinaison d'une vanne à bille pneumatique et électrique.

Table des matières

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Vue d'ensemble des vannes à bille

Vue en coupe d'une vanne à bille manuelle montrant les composants de la vanne à bille

Figure 2 : Vue en coupe d'une vanne à bille manuelle montrant les composants de la vanne à bille

Une vanne à bille est une vanne quart de tour qui contrôle le débit d'un fluide grâce à une bille rotative creuse, comme le montre la figure 2. La figure montre les principaux composants d'un robinet à bille manuel dans une vue en coupe. Lorsque la partie creuse de la bille est en ligne avec l'écoulement (tuyau ou tube), la vanne est ouverte et le fluide peut s'écouler. La vanne se ferme lorsque la partie pleine de la bille est en ligne avec le flux, ce qui se fait par une rotation de 90 degrés (d'où le nom de vanne quart de tour) de la bille.

Il est également possible de positionner la vanne entre complètement ouverte et complètement fermée, ce qui permet de réguler le débit de manière plus précise. Les vannes à bille typiques ont deux orifices, un pour l'entrée et un pour la sortie. Cependant, trois orifices (L ou T) sont également disponibles et, selon la façon dont la vanne est assemblée et installée, ils déterminent comment la rotation à 90 degrés de la bille dirige l'écoulement du fluide. Les vannes à bille à quatre orifices sont possibles mais rares.

Les vannes à bille ont une tige de vanne, qui est attachée à la bille et contrôle sa rotation. Dans la figure 2, la tige de la vanne est reliée à une poignée manuelle pour actionner la vanne. Cependant, la tige de la vanne peut également être reliée à un actionneur rotatif pneumatique ou électrique pour faire tourner la tige afin d'ouvrir et/ou de fermer la vanne à bille automatiquement et/ou à distance.

Aperçu de l'actionneur

Figure 3 : Une vanne à bille pneumatique en acier inoxydable

Figure 3 : Une vanne à bille pneumatique en acier inoxydable

Un actionneur de vanne est un dispositif qui est utilisé pour commander à distance une vanne. S'il commande une vanne quart de tour, l'actionneur est appelé actionneur quart de tour. Au lieu d'un levier manuel, vous pouvez monter un actionneur sur la vanne pour la commander automatiquement et/ou à distance. Les actionneurs utilisent une source d'énergie pour générer le couple nécessaire pour faire fonctionner (tourner) une vanne à bille. Pour la plupart des actionneurs, la source d'énergie est soit pneumatique, soit électrique, soit hydraulique (non traitée dans cet article). La différence de cette source d'énergie donne lieu à différents modèles, qui présentent chacun des avantages et des inconvénients différents pour certaines applications (discutés ci-dessous). Outre le composant générateur de couple, un actionneur peut avoir d'autres caractéristiques telles que des indicateurs de position et une commande manuelle.

Actionneurs pneumatiques

Les actionneurs pneumatiques contrôlent les vannes à bille en convertissant l'énergie de l'air comprimé en mouvement mécanique. Un mouvement mécanique rotatif est nécessaire dans un robinet à boisseau sphérique pour une rotation de 90 degrés. Les vannes à bille à actionneur pneumatique peuvent être à simple ou double effet. Un actionneur pneumatique à simple effet utilise une seule entrée d'air comprimé pour faire tourner la vanne et un ressort pour ramener la vanne en position normale. Un actionneur pneumatique à double effet possède deux entrées d'air comprimé pour faire tourner la vanne et la ramener à sa position initiale.

 

Principe de fonctionnement

Figure 4 : Le mécanisme d'engrenage à crémaillère et pignon. (A) Le pignon, (B) La crémaillère

Figure 4 : Le mécanisme d'engrenage à crémaillère et pignon.

Le mécanisme le plus courant d'un actionneur pneumatique pour les vannes à bille est le mécanisme à crémaillère et pignon. Elle se compose de la crémaillère (un engrenage linéaire) (B) et du pignon (un engrenage circulaire) (A). La crémaillère est fixée à un piston qui est poussé par de l'air comprimé pour obtenir un mouvement linéaire. Ce mouvement linéaire est converti en mouvement circulaire par le pignon. Le pignon entraîne la tige d'un robinet à boisseau sphérique en position ouverte et fermée.

Pour commander l'actionneur pneumatique des vannes à bille, l'air comprimé est régulé par des électrovannes. Les signaux électriques provenant du contrôleur alimentent l'électrovanne en position ouverte ou fermée, permettant à l'air comprimé de circuler vers les deux côtés du piston de l'actionneur pneumatique. Le piston pousse la crémaillère qui fait tourner le pignon relié à la tige de la vanne à bille.

Actionneurs électriques

Figure 5 : Une vanne à bille électrique en laiton

Figure 5 : Une vanne à bille électrique en laiton

Les actionneurs électriques convertissent l'énergie électrique en force de rotation par l'utilisation d'un moteur électrique pour faire tourner la vanne à bille de 90 degrés. Ils sont économes en énergie, propres et constituent une méthode silencieuse de commande des vannes. Le moteur électrique peut être alimenté par un courant alternatif (CA) ou un courant continu (CC). Il est logé dans un boîtier robuste et compact qui contient également les autres composants de l'actionneur tels que les engrenages, les interrupteurs de fin de course, le câblage, etc. L'ensemble est relié à une vanne par une interface de connexion compatible, telle qu'une norme ISO 5211.

Principe de fonctionnement

Le moteur électrique génère un couple, qui est transmis par un arbre relié à la tige de la valve. Cela fait tourner la vanne à bille. Pour obtenir le couple requis, un système d'engrenages est relié à l'arbre du moteur électrique. La capacité de couple est une spécification importante pour la sélection d'un actionneur. Il doit être supérieur au couple requis (couple de rupture) pour faire tourner le robinet à bille d'un certain pourcentage souvent spécifié par le fabricant du robinet à bille. Le couple de rupture est le couple minimum requis pour faire tourner le robinet à boisseau sphérique généralement en position statique complètement fermée ou complètement ouverte.

La vitesse de fonctionnement (le temps de réponse) d'un actionneur électrique est inversement proportionnelle au couple de l'actionneur. Le système d'engrenages définit la relation entre la vitesse et le couple. Un rapport de vitesse plus élevé se traduirait par un couple plus important mais un temps de réponse plus faible.

Les actionneurs électriques peuvent être alimentés par un courant continu de 12, 24 et 48V et par un courant alternatif de 24, 48, 120, 130 et 240V. Les interrupteurs de fin de course sont installés pour arrêter le courant vers le moteur lorsqu'ils sont complètement fermés et ouverts. Les moteurs électriques peuvent être utilisés pour effectuer une commande modulante. Elle est utilisée pour positionner avec précision la vanne en tout point entre les positions totalement ouverte et totalement fermée (c'est-à-dire entre 0° et 90°). Ceci est utile pour réguler le débit à travers la valve. Une carte de circuit imprimé de positionnement (PCB) est installée dans l'actionneur électrique pour moduler le moteur électrique. Pour en savoir plus sur la modulation, lisez notre article sur les vannes modulantes.

Combinaison d'un actionneur et d'un robinet à bille

Bien que les actionneurs et les vannes à bille soient des composants distincts, ils sont le plus souvent utilisés ensemble. Il est donc plus pratique de les obtenir sous forme de paquet pour garantir la conformité. En combinant un actionneur avec un robinet à boisseau sphérique, on obtient un robinet à boisseau sphérique automatique qui peut être contrôlé à distance. L'actionneur et le robinet à boisseau sphérique disposent d'une interface de connexion pour les relier. L'interface de connexion comprend un arbre, ou une tige, pour connecter la boule de la vanne, et une bride pour boulonner l'actionneur à la vanne. Cette interface peut être spécifique à une marque ou normalisée selon des normes telles que la norme ISO 5211. Vous pouvez monter un actionneur spécifique à une marque sur une vanne compatible spécifique à une marque. D'autre part, différents robinets à boisseau sphérique et actionneurs peuvent être interchangés tant qu'ils suivent la même norme, comme la norme ISO 5211.

Comparaison entre les vannes à bille pneumatiques et électriques

Voici quelques-unes des caractéristiques comparables des vannes à bille pneumatiques et électriques :

1) Vitesse de rotation

La vitesse de rotation est la vitesse à laquelle la bille d'une vanne à bille actionnée effectue une rotation complète (90 degrés). En général, pour des unités de même taille, la vitesse de rotation d'une vanne à bille électrique est inférieure à celle d'une vanne à bille pneumatique.

2) Durée de vie

La durée de vie d'un équipement est le temps pendant lequel l'unité est entièrement fonctionnelle et opérationnelle. Les vannes à bille pneumatiques ont moins de composants et sont plus faciles à entretenir ; elles ont donc une durée de vie plus longue que leurs homologues électriques. Les actionneurs électriques comportent plusieurs composants qui nécessitent une maintenance, comme la bobine électrique, le pilote électronique, l'actionneur mécanique, etc.

3) Précision

La précision, ou modulation, concerne les unités qui s'arrêtent à un point partiellement ouvert (par exemple, 20 degrés d'ouverture) afin de réguler plus précisément le débit. Les actionneurs pneumatiques et électriques sont tous deux précis dans leur fonctionnement, mais les vannes à bille motorisées ont des niveaux de précision plus élevés. Une vanne à bille électrique est capable de s'ouvrir et de se fermer selon des degrés très précis. Les actionneurs pneumatiques effectuent la modulation en contrôlant la pression d'air à l'orifice d'entrée. Les fuites ou les fluctuations de pression peuvent facilement affecter la position de la valve. Les actionneurs électriques, quant à eux, utilisent des signaux de commande électriques précis pour effectuer la commande. Vous trouverez des informations supplémentaires dans notre article sur les vannes à bille et les vannes papillon modulantes électriques.

Faible consommation d'énergie ()

La consommation d'énergie est l'énergie requise par l'actionneur pour faire tourner la vanne. En comparaison, la consommation d'énergie d'un robinet à boisseau sphérique à commande électrique est inférieure à celle des robinets à boisseau sphérique à commande pneumatique. Dans les actionneurs pneumatiques, l'ensemble du système de compression de l'air (compresseur, filtres, lubrificateurs, alimentation, etc.) explique leur forte consommation d'énergie.

5) Sécurité intégrée

Il s'agit d'un dispositif de sécurité conçu pour ouvrir ou fermer automatiquement une vanne en cas de panne de courant. Il est généralement plus facile et moins coûteux d'installer un mécanisme de sécurité sur un robinet à boisseau sphérique pneumatique que sur un robinet à boisseau sphérique motorisé. Les actionneurs pneumatiques sont très courants et utilisent un ressort pour revenir à la position de base. Ils constituent une solution idéale en cas de défaillance. Les actionneurs électriques dotés d'un mécanisme à sécurité intégrée peuvent fonctionner avec une batterie ou un ressort et sont généralement plus coûteux que la solution pneumatique.

6) Coût

Le coût d'un robinet à boisseau sphérique pneumatique est généralement inférieur à celui d'un robinet électrique car la conception de l'actionneur est moins complexe. Toutefois, cela ne tient pas compte des coûts des composants du système pneumatique, tels que le compresseur, la préparation de l'air, les tuyaux, etc. Lorsqu'aucun système pneumatique n'est disponible à proximité de la vanne, il est généralement préférable d'utiliser une commande électrique. Le fonctionnement d'une vanne pneumatique est plus coûteux à long terme en raison de la consommation d'énergie plus élevée et des pertes d'énergie qui résultent de la production d'air comprimé.

7) Retour d'information sur la position

Les indicateurs de position indiquent la position de l'actionneur à un moment donné. Ils sont généralement placés sur le dessus de l'actionneur pour une meilleure visibilité. La plupart des actionneurs pneumatiques peuvent être équipés d'un interrupteur de fin de course sur le dessus pour un retour électrique. De nombreux actionneurs électriques ont des interrupteurs de fin de course internes pour le retour de position. Cependant, les actionneurs plus basiques ne disposent pas de cette fonctionnalité.

8) Plage de taille/couple

Le couple est la force de rotation dont a besoin une vanne à bille pour tourner. Les actionneurs pneumatiques offrent un couple beaucoup plus élevé par unité de taille que les actionneurs électriques. Par conséquent, pour les applications nécessitant une vanne de grande taille ou un couple élevé, une vanne à bille pneumatique est une meilleure option.

9) Conditions dangereuses

Une vanne à bille électrique doit être certifiée NEMA/ATEX avant de pouvoir fonctionner dans des conditions dangereuses. Les actionneurs pneumatiques, cependant, sont plus largement disponibles avec la certification ATEX. En outre, ils ne génèrent ni ne sont affectés par les perturbations électromagnétiques. Contrairement à leurs homologues électriques, les actionneurs pneumatiques ne sont pas sensibles aux environnements humides et ne sont pas non plus sujets à la surchauffe.

Tableau comparatif des vannes à bille pneumatiques et électriques

Ce tableau de comparaison concerne les vannes à bille pneumatiques et électriques de même taille et constitue une comparaison générale. Il y aura des applications spéciales et/ou certaines conceptions pour lesquelles cette comparaison n'est pas exacte. Les propriétés peuvent également être utilisées comme critères de sélection.

Type Robinets à bille pneumatiques Robinets à bille électriques J + J
Vitesse de rotation Généralement plus rapide. Généralement plus lent.
Durée de vie Moins de composants et plus facile à entretenir, d'où une durée de vie plus longue. Nombreux composants complexes, plus affectés par l'usure, rendant l'entretien plus difficile, et généralement une durée de vie réduite.
Précision Les fuites et les fluctuations de pression peuvent causer des problèmes de précision. Des signaux électriques précis entraînent un positionnement précis de la vanne.
Faible consommation d'énergie () Le système de compression d'air consomme beaucoup d'énergie pour acheminer l'air vers l'actionneur. Ne nécessite que de l'électricité, ce qui représente une consommation d'énergie inférieure à celle d'un système complet d'air comprimé.
Coût Coût initial plus faible, mais coût d'exploitation plus élevé. Coût initial plus élevé, mais coût d'exploitation plus faible.
Sécurité intégrée Plus facile et moins cher à avoir. Plus compliqué à avoir.
Taille/plage de couple Avoir un rapport couple/taille plus élevé. Avoir un rapport couple/taille plus faible.
Conditions dangereuses Plus adapté aux environnements difficiles, versions disponibles pour les environnements NEMA/ATEX. Nécessite des certifications NEMA/ATEX pour les environnements dangereux.
Conditions de fonctionnement Peut fonctionner dans des conditions de pression et de température élevées Peut fonctionner dans des conditions de pression et de température modérées
Maintenabilité Mécanisme simple et facile à entretenir Un mécanisme complexe qui nécessite un expert technique
Interférences électromagnétiques Aucune perturbation Peut subir des perturbations du signal
Contrôle modulant Ne peut être utilisé pour la modulation du débit Avec un PCB, il peut être utilisé pour la modulation du débit
Poids léger Beaucoup plus lourd

Exemples d'application pour une vanne à bille pneumatique ou électrique

  • Environnement de fabrication: Dans un environnement de fabrication humide et rude, l'air comprimé est souvent facilement disponible. Dans les installations où de nombreux robinets à boisseau sphérique et/ou à papillon de grande taille sont actionnés (par exemple, plus grands que DN 50), les actionneurs pneumatiques sont souvent choisis en raison de leur couple élevé, de leur robustesse et de leur faible coût matériel.
  • Application mobile: Un robot qui se déplace aurait plus probablement une alimentation électrique que pneumatique, compte tenu de la mobilité que permet une vanne à bille électrique.
  • Échangeurs de chaleur En cas de panne de courant, le système a toujours besoin d'eau froide pour refroidir l'eau chaude restante et éviter la surchauffe. Dans cette application, une vanne à bille pneumatique est préférable.

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