Les bases des régulateurs de pression

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Les régulateurs de pression se trouvent dans de nombreuses applications domestiques et industrielles courantes. Par exemple, les régulateurs de pression sont utilisés dans les grils à gaz pour réguler le propane, dans les fours de chauffage domestique pour réguler les gaz naturels, dans les équipements médicaux et dentaires pour réguler l’oxygène et les gaz d’anesthésie, dans les systèmes d’automatisation pneumatiques pour réguler l’air comprimé, dans les moteurs pour réguler le carburant et dans les piles à combustible pour réguler l’hydrogène. Comme le montre cette liste partielle, les applications des détendeurs sont nombreuses et pourtant, dans chacune d’entre elles, le détendeur assure la même fonction. Les régulateurs de pression réduisent une pression d’alimentation (ou d’entrée) à une pression de sortie plus faible et s’efforcent de maintenir cette pression de sortie malgré les fluctuations de la pression d’entrée. La réduction de la pression d’entrée à une pression de sortie inférieure est la caractéristique clé des régulateurs de pression.

Lorsque l’on choisit un régulateur de pression, de nombreux facteurs doivent être pris en compte. Les considérations importantes comprennent : les plages de pression de fonctionnement pour l’entrée et la sortie, les exigences en matière de débit, le fluide (s’agit-il d’un gaz, d’un liquide, d’un produit toxique ou inflammable ?), la plage de température de fonctionnement prévue, la sélection des matériaux pour les composants du régulateur, y compris les joints, ainsi que les contraintes de taille et de poids.

Matériaux utilisés dans les régulateurs de pression

Un large éventail de matériaux est disponible pour gérer divers fluides et environnements de fonctionnement. Les matériaux courants des composants des régulateurs comprennent le laiton, le plastique et l’aluminium. Diverses qualités d’acier inoxydable (telles que 303, 304 et 316) sont également disponibles. Les ressorts utilisés à l’intérieur du régulateur sont généralement fabriqués en fil à musique (acier au carbone) ou en acier inoxydable.

Le laiton convient à la plupart des applications courantes et est généralement économique. L’aluminium est souvent spécifié lorsque le poids est une considération. Le plastique est envisagé lorsque le faible coût est une préoccupation principale ou qu’un article jetable est requis. Les aciers inoxydables sont souvent choisis pour une utilisation avec des fluides corrosifs, une utilisation dans des environnements corrosifs, lorsque la propreté du fluide est une considération ou lorsque les températures de fonctionnement seront élevées.

La compatibilité du matériau du joint avec le fluide et avec la plage de température de fonctionnement est également importante. Le Buna-n est un matériau de joint typique. Des joints optionnels sont proposés par certains fabricants et ils comprennent : Fluorocarbone, EPDM, Silicone et Perfluoroélastomère.

Fluide utilisé (gaz, liquide, toxique ou inflammable)

Les propriétés chimiques du fluide doivent être prises en compte avant de déterminer les meilleurs matériaux pour votre application. Chaque fluide aura ses propres caractéristiques uniques, il faut donc prendre soin de sélectionner les matériaux appropriés du corps et des joints qui seront en contact avec le fluide. Les parties du régulateur en contact avec le fluide sont appelées les composants « mouillés ».

Il est également important de déterminer si le fluide est inflammable, toxique, explosif ou dangereux par nature. Il est préférable d’utiliser un détendeur sans détente avec des gaz dangereux, explosifs ou coûteux, car sa conception ne permet pas d’évacuer une pression aval excessive dans l’atmosphère. Contrairement à un détendeur sans détente, un détendeur avec détente (également appelé détendeur automatique) est conçu pour évacuer l’excès de pression en aval dans l’atmosphère. En général, un orifice d’évent est prévu à cet effet sur le côté du corps du détendeur. Dans certaines conceptions spéciales, l’orifice de mise à l’air libre peut être fileté et toute pression excessive peut être évacuée du corps du détendeur par le biais d’un tube et être évacuée dans une zone sûre. Si ce type de conception est choisi, l’excès de fluide doit être évacué de manière appropriée et conformément à toutes les règles de sécurité.

Température

Les matériaux choisis pour le régulateur de pression doivent non seulement être compatibles avec le fluide mais aussi pouvoir fonctionner correctement à la température de fonctionnement prévue. La principale préoccupation est de savoir si l’élastomère choisi fonctionnera correctement sur toute la plage de température prévue. En outre, la température de fonctionnement peut affecter la capacité de débit et/ou le taux de ressort dans les applications extrêmes.

Pressions de fonctionnement

Les pressions d’entrée et de sortie sont des facteurs importants à considérer avant de choisir le meilleur régulateur. Les questions importantes auxquelles il faut répondre sont : Quelle est la plage de fluctuation de la pression d’entrée ? Quelle est la pression de sortie requise ? Quelle est la variation admissible de la pression de sortie?

Exigences de débit

Quel est le débit maximal requis par l’application ? De combien le débit varie-t-il ? Les exigences de portage sont également une considération importante.

Dimension &Poids

Dans de nombreuses applications de haute technologie, l’espace est limité et le poids est un facteur. Certains fabricants sont spécialisés dans les composants miniatures et doivent être consultés. La sélection des matériaux, en particulier les composants du corps du régulateur, aura un impact sur le poids. Il faut également examiner attentivement les tailles des orifices (filetage), les styles de réglage et les options de montage, car ils influenceront la taille et le poids.

Régulateurs de pression en fonctionnement

Un régulateur de pression est composé de trois éléments fonctionnels

1. ). Un élément réducteur ou restrictif de pression. Il s’agit souvent d’une soupape à clapet à ressort.
2. ) Un élément de détection. Typiquement un diaphragme ou un piston.
3. ) Un élément de force de référence. Le plus souvent un ressort.

En fonctionnement, la force de référence générée par le ressort ouvre la valve. L’ouverture de la soupape applique une pression à l’élément de détection qui, à son tour, ferme la soupape jusqu’à ce qu’elle soit ouverte juste assez pour maintenir la pression de consigne. Le schéma simplifié « Schéma du régulateur de pression » illustre ce dispositif d’équilibre des forces. (voir ci-dessous)

(1) Élément réducteur de pression (soupape à clapet)

Le plus souvent, les régulateurs emploient une soupape à clapet à ressort comme élément restrictif. Le clapet comprend un joint élastomère ou, dans certains modèles haute pression, un joint thermoplastique, qui est configuré pour faire un joint sur un siège de soupape. Lorsque la force du ressort éloigne le joint du siège de soupape, le fluide peut s’écouler de l’entrée du régulateur vers la sortie. Lorsque la pression de sortie augmente, la force générée par l’élément de détection résiste à la force du ressort et la vanne se ferme. Ces deux forces atteignent un point d’équilibre au niveau du point de consigne du régulateur de pression. Lorsque la pression en aval descend en dessous du point de consigne, le ressort pousse le clapet à l’écart du siège de la soupape et du fluide supplémentaire peut s’écouler de l’entrée vers la sortie jusqu’à ce que l’équilibre des forces soit rétabli.

(2) Élément de détection (piston ou membrane)

Les conceptions de type piston sont souvent utilisées lorsque des pressions de sortie plus élevées sont requises, lorsque la robustesse est une préoccupation ou lorsque la pression de sortie n’a pas à être maintenue à une tolérance serrée. Les conceptions à piston ont tendance à être lentes, par rapport aux conceptions à diaphragme, en raison de la friction entre le joint du piston et le corps du régulateur.

Dans les applications à basse pression, ou lorsqu’une grande précision est requise, le style à diaphragme est préféré. Les régulateurs à diaphragme utilisent un élément mince en forme de disque qui sert à détecter les changements de pression. Ils sont généralement constitués d’un élastomère, mais un métal mince et convoluté est utilisé dans des applications spéciales. Les diaphragmes éliminent essentiellement la friction inhérente aux modèles à piston. De plus, pour une taille de régulateur particulière, il est souvent possible de fournir une plus grande surface de détection avec une conception de diaphragme que ce qui serait faisable si une conception de style piston était employée.

(3) L’élément de force de référence (ressort)

L’élément de force de référence est généralement un ressort mécanique. Ce ressort exerce une force sur l’élément de détection et agit pour ouvrir la vanne. La plupart des régulateurs sont conçus avec un réglage qui permet à l’utilisateur d’ajuster le point de consigne de la pression de sortie en modifiant la force exercée par le ressort de référence.

Précision et capacité du régulateur

La précision d’un régulateur de pression est déterminée en traçant un graphique de la pression de sortie en fonction du débit. Le graphique obtenu montre la chute de la pression de sortie lorsque le débit augmente. Ce phénomène est connu sous le nom de statisme. La précision d’un détendeur est définie comme la quantité de chute que présente le dispositif sur une gamme de débits ; moins de chute équivaut à une plus grande précision. Les courbes de pression en fonction du débit fournies dans le graphique « Carte de fonctionnement des détendeurs de pression à action directe », indiquent la capacité de régulation utile du détendeur. Lors de la sélection d’un régulateur, les ingénieurs doivent examiner les courbes de pression par rapport au débit pour s’assurer que le régulateur peut répondre aux exigences de performance nécessaires pour l’application proposée.

Définition du statisme

Le terme « statisme » est utilisé pour décrire la chute de la pression de sortie, en dessous du point de consigne initial, lorsque le débit augmente. Le statisme peut également être causé par des changements importants de la pression d’entrée (par rapport à la valeur à laquelle la sortie du régulateur a été réglée). Lorsque la pression d’entrée augmente par rapport au réglage initial, la pression de sortie diminue. Inversement, lorsque la pression d’entrée diminue, la pression de sortie augmente. Comme on le voit dans le graphique « Carte de fonctionnement des régulateurs de pression à action directe », cet effet est important pour un utilisateur car il montre la capacité de régulation utile d’un régulateur.

Dimension de l’orifice

Une augmentation de l’orifice de la vanne peut augmenter la capacité de débit du régulateur. Cela peut être bénéfique si votre conception peut accueillir un détendeur plus grand cependant faites attention à ne pas trop spécifier. Un régulateur avec une vanne surdimensionnée, pour les conditions de l’application prévue, entraînera une plus grande sensibilité aux fluctuations des pressions d’entrée, et peut causer un statisme excessif.

Pression de verrouillage

La « pression de verrouillage » est la pression au-dessus du point de consigne qui est nécessaire pour fermer complètement la vanne du régulateur et assurer qu’il n’y a pas d’écoulement.

Hystérèse

L’hystérèse peut se produire dans les systèmes mécaniques, tels que les régulateurs de pression, en raison des forces de friction causées par les ressorts et les joints. Jetez un coup d’œil au graphique et vous remarquerez, pour un débit donné, que la pression de sortie sera plus élevée lorsque le débit diminue qu’elle ne le sera lorsque le débit augmente.

Régulateur à un étage

Les régulateurs à un étage sont un excellent choix pour des réductions de pression relativement faibles. Par exemple, les compresseurs d’air utilisés dans la plupart des usines génèrent des pressions maximales de l’ordre de 100 à 150 psi. Cette pression est acheminée dans toute l’usine, mais elle est souvent réduite à l’aide d’un détendeur à un étage à des pressions inférieures (10 psi, 50 psi, 80 psi, etc.) pour faire fonctionner des machines automatisées, des bancs d’essai, des machines-outils, des équipements de test d’étanchéité, des actionneurs linéaires et d’autres dispositifs. Les régulateurs de pression à un étage ne fonctionnent généralement pas bien avec de grandes variations de la pression d’entrée et/ou des débits.

Régulateur à deux étages (Dual Stage)

Un régulateur de pression à deux étages est idéal pour les applications avec de grandes variations du débit, des fluctuations importantes de la pression d’entrée ou une diminution de la pression d’entrée, comme cela se produit avec le gaz fourni par un petit réservoir de stockage ou une bouteille de gaz.

Avec la plupart des détendeurs à un étage, sauf ceux qui utilisent une conception à compensation de pression, une forte baisse de la pression d’entrée entraînera une légère augmentation de la pression de sortie. Cela se produit parce que les forces agissant sur la vanne changent, en raison de la grande chute de pression, par rapport au moment où la pression de sortie était initialement réglée. Dans une conception à deux étages, le deuxième étage ne sera pas soumis à ces changements importants de la pression d’entrée, mais seulement au léger changement de la pression de sortie du premier étage. Cette disposition permet d’obtenir une pression de sortie stable du deuxième étage malgré les changements importants de la pression fournie au premier étage.

Régulateur à trois étages

Un régulateur à trois étages fournit une pression de sortie stable similaire à celle d’un régulateur à deux étages mais avec la capacité supplémentaire de gérer une pression d’entrée maximale nettement plus élevée. Par exemple, le régulateur à trois étages de la série PRD3HP de Beswick est conçu pour gérer une pression d’entrée aussi élevée que 3 000 psi et il fournira une pression de sortie stable (dans la plage de 0 à 30 psi) malgré les changements de la pression d’alimentation. Un régulateur de pression petit et léger, capable de maintenir une faible pression de sortie stable malgré une pression d’entrée qui diminuera au fil du temps à partir d’une pression élevée, est un composant essentiel dans de nombreuses conceptions. Les exemples incluent les instruments analytiques portables, les piles à hydrogène, les drones et les dispositifs médicaux alimentés par un gaz à haute pression fourni par une cartouche de gaz ou un cylindre de stockage.

Maintenant que vous avez choisi le régulateur qui convient le mieux à votre application, il est important que le régulateur soit installé et ajusté correctement pour s’assurer qu’il fonctionne comme prévu.

La plupart des fabricants recommandent l’installation d’un filtre en amont du régulateur (certains régulateurs ont un filtre intégré) pour empêcher la saleté et les particules de contaminer le siège de la vanne. Le fonctionnement d’un détendeur sans filtre pourrait entraîner une fuite à l’orifice de sortie si le siège de soupape est contaminé par des saletés ou des matières étrangères. Les gaz régulés doivent être exempts d’huiles, de graisses et d’autres contaminants qui pourraient encrasser ou endommager les composants de la vanne ou attaquer les joints du détendeur. De nombreux utilisateurs ne savent pas que les gaz fournis dans les bouteilles et les petites cartouches de gaz peuvent contenir des traces d’huiles provenant du processus de fabrication. La présence d’huile dans le gaz n’est souvent pas apparente pour l’utilisateur et il convient donc de discuter de ce sujet avec votre fournisseur de gaz avant de choisir les matériaux d’étanchéité de votre détendeur. En outre, les gaz doivent être exempts d’humidité excessive. Dans les applications à haut débit, un givrage du détendeur peut se produire si de l’humidité est présente.

Si le détendeur sera utilisé avec de l’oxygène, sachez que cet oxygène nécessite des connaissances spécialisées pour une conception sûre du système. Des lubrifiants compatibles avec l’oxygène doivent être spécifiés et un nettoyage supplémentaire, pour éliminer les traces d’huiles de coupe à base de pétrole, est généralement spécifié. Assurez-vous d’informer votre fournisseur de détendeurs que vous prévoyez d’utiliser le détendeur dans une application oxygène.

Ne connectez pas les détendeurs à une source d’alimentation dont la pression maximale est supérieure à la pression d’entrée nominale du détendeur. Les détendeurs ne sont pas destinés à être utilisés comme dispositifs d’arrêt. Lorsque le régulateur n’est pas utilisé, la pression d’alimentation doit être coupée.

Installation

Etape 1
Commencez par connecter la source de pression à l’orifice d’entrée et la ligne de pression régulée à l’orifice de sortie. Si les ports ne sont pas marqués, vérifiez auprès du fabricant pour éviter les connexions incorrectes. Dans certaines conceptions, des dommages peuvent être causés aux composants internes si la pression d’alimentation est fournie par erreur à l’orifice de sortie.

STEP 2
Avant d’allumer la pression d’alimentation du régulateur, reculez le bouton de commande de réglage pour limiter le débit à travers le régulateur. Mettez progressivement en marche la pression d’alimentation afin de ne pas « choquer » le régulateur avec une poussée soudaine de fluide sous pression. NOTE : Évitez de tourner la vis de réglage à fond dans le régulateur car, dans certaines conceptions de régulateur, la pression d’alimentation totale sera délivrée à l’orifice de sortie.

Étape 3
Réglez le régulateur de pression à la pression de sortie souhaitée. Si le régulateur est sans détente, il sera plus facile d’ajuster la pression de sortie si le fluide s’écoule plutôt qu’en « cul-de-sac » (pas d’écoulement). Si la pression de sortie mesurée est supérieure à la pression de sortie souhaitée, purgez le fluide du côté aval du régulateur et diminuez la pression de sortie en tournant le bouton de réglage. N’évacuez jamais le fluide en desserrant les raccords, car vous risqueriez de vous blesser.

Avec un régulateur de type décharge, l’excès de pression sera automatiquement évacué dans l’atmosphère par le côté aval du régulateur lorsque le bouton est tourné pour abaisser le réglage de sortie. Pour cette raison, n’utilisez pas de détendeurs avec des fluides inflammables ou dangereux. Assurez-vous que l’excès de fluide est évacué en toute sécurité et conformément à toutes les réglementations locales, nationales et fédérales.

STEP 4
Pour obtenir la pression de sortie souhaitée, effectuez les réglages finaux en augmentant lentement la pression à partir d’un niveau inférieur au point de réglage souhaité. Il est préférable de régler la pression à partir d’un point inférieur au point de réglage souhaité que de la régler à partir d’un point supérieur au point de réglage souhaité. Si vous dépassez le point de consigne lors du réglage du régulateur de pression, diminuez la pression de consigne jusqu’à un point inférieur au point de consigne. Puis, de nouveau, augmentez progressivement la pression jusqu’au point de consigne souhaité.

STEP 5
Cyclez la pression d’alimentation sur et hors tension plusieurs fois tout en surveillant la pression de sortie pour confirmer que le régulateur revient constamment au point de consigne. De plus, la pression de sortie doit également être activée et désactivée pour s’assurer que le régulateur de pression revient au point de consigne souhaité. Répétez la séquence de réglage de la pression si la pression de sortie ne revient pas au réglage souhaité.

Beswick Engineering se spécialise dans les raccords miniatures liquides et pneumatiques, les déconnexions rapides, les valves et les régulateurs. Nous avons une équipe d’ingénieurs d’application diplômés prêts à vous aider avec vos questions. Des conceptions personnalisées sont disponibles sur demande. Soumettez votre demande sur notre page Contactez-nous ou cliquez sur l’icône Live Chat en bas à droite de votre écran.