Vannes à bille pneumatiques et électriques - Leur fonctionnement

Les vannes à bille peuvent être automatisées en les associant à un actionneur pneumatique (vannes à bille pneumatiques) ou à un actionneur électrique (vannes à bille électriques) pour le contrôle à distance et l'automatisation. Le choix entre un actionneur pneumatique et un actionneur électrique dépend de l'application spécifique, car chacun a ses propres avantages. Cet article comparera ces deux options.

Table des matières

• Vue d'ensemble du robinet à boisseau sphérique
• Vue d'ensemble de l'actionneur
• Actionneurs pneumatiques
• Actionneurs électriques
• Combinaison d'un actionneur et d'un robinet à boisseau sphérique
• Comparaison entre les robinets à tournant sphérique pneumatiques et électriques
• Exemples d'application d'un robinet à boisseau sphérique pneumatique ou électrique

Vue d'ensemble du robinet à boisseau sphérique

Un robinet à boisseau sphérique est un robinet quart de tour qui contrôle le débit d'un fluide à l'aide d'une bille creuse en rotation, comme le montre la figure 2. La figure montre les principaux composants d'un robinet à boisseau sphérique manuel en coupe. Lorsque la partie creuse de la bille est alignée avec le flux (tuyau ou flexible), 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 l'ouverture complète et la fermeture complète, ce qui permet de réguler le débit avec plus de précision. Les robinets à tournant sphérique classiques ont deux orifices, l'un pour l'entrée et l'autre 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 la façon dont la rotation de 90 degrés de la bille dirige le débit du fluide. Les robinets à boisseau sphérique à quatre orifices sont possibles mais rares.

Les robinets à tournant sphérique sont dotés d'une tige de robinet, qui est fixée au tournant 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 connectée à un actionneur rotatif pneumatique ou électrique qui fait tourner la tige pour ouvrir et/ou fermer la vanne à boisseau sphérique automatiquement et/ou à distance.

Vue d'ensemble de l'actionneur

Un actionneur de vanne est un dispositif 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 contrôler automatiquement et/ou à distance. Les actionneurs utilisent une source d'énergie pour générer le couple nécessaire à l'actionnement (rotation) d'un robinet à tournant sphérique. Pour la plupart des actionneurs, la source d'énergie est soit pneumatique, soit électrique, soit hydraulique (non abordée dans cet article). La différence de cette source d'énergie donne lieu à des conceptions différentes, qui présentent chacune des avantages et des inconvénients pour certaines applications (voir ci-dessous). Outre le composant générant le couple, un actionneur peut présenter d'autres caractéristiques telles que des indicateurs de position et une commande manuelle.

Actionneurs pneumatiques

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

Principe de fonctionnement

Le mécanisme le plus courant pour un actionneur pneumatique de vannes à boisseau sphérique est le mécanisme à crémaillère. Elle se compose de la crémaillère (un engrenage linéaire) et du pignon (un engrenage circulaire) (figure 4). 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 dans les positions d'ouverture et de fermeture.

Pour contrôler 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 d'ouverture ou de fermeture, ce qui permet 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 du robinet à boisseau sphérique.

Actionneurs électriques

Les actionneurs électriques convertissent l'énergie électrique en force rotative en utilisant un moteur électrique pour tourner le robinet à boisseau sphérique de 90 degrés. Ils sont efficaces sur le plan énergétique, propres et constituent une méthode silencieuse de contrôle 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 d'autres composants de l'actionneur tels que les engrenages, les interrupteurs de fin de course, le câblage, etc. L'ensemble est connecté à une vanne par l'intermédiaire d'une interface de connexion compatible, telle que la 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 le robinet à boisseau sphérique. 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 dans les positions statiques de fermeture ou d'ouverture complète.

La vitesse de fonctionnement (le temps de réponse) d'un actionneur électrique est inversement proportionnelle au couple de l'actionneur. Le système d'engrenage définit la relation entre la vitesse et le couple. Un rapport de démultiplication 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 48 V et par un courant alternatif de 24, 48, 120, 130 et 240 V. Les interrupteurs de fin de course sont installés pour arrêter le courant au moteur lorsqu'ils sont complètement fermés et ouverts. Les moteurs électriques peuvent être utilisés pour effectuer une régulation modulante. Il permet de positionner avec précision la vanne en tout point situé entre les positions d'ouverture et de fermeture complète (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 boisseau sphérique

Bien que les actionneurs et les robinets à tournant sphérique soient des composants distincts, ils sont le plus souvent utilisés ensemble. Il est donc plus pratique de les obtenir sous forme de paquet afin de garantir leur conformité. La combinaison d'un actionneur et d'une vanne à boisseau sphérique permet d'obtenir une vanne à boisseau sphérique automatique qui peut être commandée 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 le boisseau 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 cette marque. D'autre part, différents robinets à tournant sphérique et actionneurs peuvent être interchangés à condition qu'ils respectent la même norme, comme la norme ISO 5211.

Comparaison entre les robinets à tournant sphérique pneumatiques et électriques

Voici quelques-unes des caractéristiques comparables des robinets à tournant sphérique pneumatiques et électriques :

Vitesse de rotation

La vitesse de rotation est la vitesse à laquelle le boisseau d'un robinet à tournant sphérique actionné effectue une rotation complète (90 degrés). Généralement, à taille égale, la vitesse de rotation d'un robinet à boisseau sphérique électrique est inférieure à celle d'un robinet à boisseau sphérique pneumatique.

Durée de vie

La durée de vie d'un équipement est la période pendant laquelle l'unité est pleinement fonctionnelle et opérationnelle. Les robinets à tournant sphérique pneumatiques comportent moins de composants et sont plus faciles à entretenir ; ils ont donc une durée de vie plus longue que leurs homologues électriques. Les actionneurs électriques ont plusieurs composants qui doivent être entretenus, comme la bobine électrique, le pilote électronique, l'actionneur mécanique, etc.

Précision

La précision, ou modulation, concerne les appareils qui s'arrêtent à un point partiellement ouvert (par exemple, 20 degrés d'ouverture) pour réguler le débit avec plus de précision. Les actionneurs pneumatiques et électriques sont tous deux précis dans leur fonctionnement, mais les robinets à tournant sphérique motorisés ont des niveaux de précision plus élevés. Un robinet à boisseau sphérique électrique est capable de s'ouvrir et de se fermer à des degrés très précis. Les actionneurs pneumatiques effectuent une modulation en contrôlant la pression de l'air au niveau de l'orifice d'entrée. Les fuites ou les fluctuations de pression peuvent facilement affecter la position de la vanne. Les actionneurs électriques, quant à eux, utilisent des signaux de commande électriques exacts pour effectuer la commande.

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 d'air (compresseur, filtres, lubrificateurs, puissance, etc.) est à l'origine de leur forte consommation d'énergie.

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 de doter un robinet à boisseau sphérique pneumatique d'un mécanisme de sécurité intégrée qu'un robinet à boisseau sphérique actionné par un moteur. Les actionneurs pneumatiques sont très courants et utilisent un ressort pour revenir à la position de base, ce qui est idéal comme solution de sécurité. Les actionneurs électriques dotés d'un mécanisme de sécurité intégrée peuvent fonctionner avec une batterie ou un ressort et sont généralement plus coûteux que la solution pneumatique.

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. Cependant, 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'opter pour un actionnement 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 résultant de la production d'air comprimé.

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 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 d'information électrique. De nombreux actionneurs électriques sont équipés d'interrupteurs de fin de course internes pour le retour d'information sur la position. Toutefois, les actionneurs plus simples ne disposent pas de cette fonction.

Taille/plage de couple

Le couple est la force rotative dont un robinet à boisseau sphérique a besoin 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 un grand robinet ou un couple élevé, un robinet à boisseau sphérique pneumatique est généralement une meilleure option.

Conditions dangereuses

Un robinet à boisseau sphérique électrique doit être certifié NEMA/ATEX avant de pouvoir fonctionner dans des conditions dangereuses. Les actionneurs pneumatiques sont toutefois plus largement disponibles avec la certification ATEX. En outre, ils ne génèrent pas de perturbations électromagnétiques et ne sont pas affectés par celles-ci. 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 robinets à boisseau sphérique pneumatiques et électriques

Ce tableau comparatif concerne les robinets à tournant sphérique pneumatiques et électriques de même taille et constitue une comparaison générale. Il y aura des applications spéciales et/ou certains modèles pour lesquels cette comparaison n'est pas exacte. Les propriétés peuvent également être utilisées comme critères de sélection.

Tableau 1 : Robinets à boisseau sphérique pneumatiques ou électriques

Type	Vannes à bille pneumatiques	Robinets à boisseau sphérique électriques
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 sensibles à l'usure, rendant l'entretien plus difficile et réduisant généralement la durée de vie.
Précision	Les fuites et les fluctuations de pression peuvent entraîner des problèmes de précision.	Des signaux électriques précis entraînent un positionnement précis de la vanne.
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 d'air comprimé complet.
Coût	Coût initial plus faible, mais coût d'exploitation plus élevé.	Coût initial plus élevé, mais coût d'exploitation plus faible.
Sécurité intégrée	Il est plus facile et moins coûteux d'en disposer.	Plus compliqué à avoir.
Taille/plage de couple	ont un rapport couple/taille plus élevé.	ont un rapport couple/taille plus faible.
Conditions dangereuses	Plus adapté aux environnements difficiles, des versions sont disponibles pour les environnements NEMA/ATEX.	Nécessite les 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	Pas de perturbations	Peut subir des perturbations du signal
Commande modulante	Ne peut être utilisé pour la modulation de débit	Avec un circuit imprimé, il peut être utilisé pour la modulation du débit.
poids	Léger	Beaucoup plus lourd

Exemples d'application d'un robinet à boisseau sphérique pneumatique ou électrique

• Environnement de fabrication: Dans un environnement de fabrication humide et rude, l'air comprimé est souvent disponible. Dans les installations où de nombreuses vannes à boisseau sphérique et/ou à papillon de grande taille sont utilisées (par exemple, supérieures à DN 50), les actionneurs pneumatiques sont souvent choisis en raison de leur couple élevé, de leur robustesse et du faible coût des matériaux.
• Application mobile: Un robot qui se déplace est plus susceptible d'être alimenté par une source électrique que par une source pneumatique, compte tenu de la mobilité qu'offre un robinet à boisseau sphérique électrique.
• Échangeur 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, il est préférable d'utiliser un robinet à boisseau sphérique pneumatique.