Temps de réponse de la vanne

procédés, il est important que la vanne atteigne rapidement une position donnée.

Une réponse rapide à de petites modifications du signal (1% ou moins) est l'un des facteurs les plus importants pour assurer un contrôle de procédé optimal. Dans le contrôle de régulation automatique, les changements bruts du signal transmis par le contrôleur sont prévus pour les petits changements de position. Si un ensemble de régulation peut répondre rapidement à ces petits

changements, la variabilité du procédé est meilleure.

Le temps de réponse de la vanne est mesuré par un paramètre appelé T63. T63 est le temps mesuré entre le début du changement de signal en entrée et le moment où la sortie atteint 63% du changement correspondant. Il comprend le temps mort de l'ensemble de la vanne, qui est une durée statique, et le temps dynamique de l'ensemble de la vanne. Le temps dynamique est la valeur mesurée de temps que met l'actionneur à atteindre 63% à partir du moment où il commence à bouger.

2.1.3.1 Temps mort

Qu'elle soit provoquée par la friction dans le corps de vanne et l'actionneur ou dans le positionneur, la bande morte peut largement influer sur le temps mort de l'ensemble de la vanne. Il est important de maintenir le temps mort le plus faible possible, car il peut constituer un facteur de limitation de la stabilité du procédé. En général, le temps mort ne devrait pas dépasser un tiers du temps de réponse général de la vanne.

Toutefois, le rapport relatif entre le temps mort et la constante de temps du procédé est un élément critique. Si l'ensemble de la vanne se trouve dans une boucle rapide où la constante de temps du procédé est proche du temps mort, celui-ci peut avoir une

influence remarquable sur les performances de la boucle. Dans ces boucles rapide, il est crucial de sélectionner l'équipement de contrôle dont le temps mort est le plus limité possible.

De même, du point de vue du réglage de la boucle, il est important que le temps mort soit relativement cohérent dans les deux sens de course de la vanne. Certaines conceptions de l'ensemble de la vanne peuvent avoir un temps mort de trois à cinq fois supérieur dans un sens de course par rapport à l'autre. Ce type de comportement est généralement provoqué par le comportement asymétrique de la conception du positionneur, et il peut limiter en grande mesure la capacité de régler la boucle et d'obtenir de meilleures

performances générales.

2.1.3.2 Temps dynamique

Au terme du temps mort, lorsque la vanne commence à répondre, le temps de réponse restant de la vanne est donné par le temps dynamique de l'ensemble de la vanne. Ce temps dynamique sera avant tout déterminé par les caractéristiques dynamiques de la combinaison positionneur/actionneur. Ces deux composants doivent être associés avec attention pour minimiser le temps de réponse total de la vanne. Dans un ensemble de vanne pneumatique par exemple, le positionneur doit avoir un gain pour minimiser le temps dynamique de l'ensemble de la vanne. Le gain est principalement issu de la phase

d'amplification de puissance du positionneur.

En d'autres termes, plus le relais du positionneur ou le distributeur à tiroir peut fournir rapidement un grand volume d'air à l'actionneur, plus le temps de réponse de la vanne sera court. Toutefois, cet amplificateur de puissance à gain élevé n'aura qu'un effet limité sur le temps mort, sauf si une bande morte est intentionnellement conçue pour limiter la consommation d'air statique. La conception de l'actionneur influe évidemment en large mesure sur le temps dynamique. Exemple : plus le volume de la chambre d'air de l'actionneur à remplir est important, plus le temps de réponse de la vanne est lent.

2.3.1.3 Solutions

Au premier abord, on pourrait penser que la solution serait de minimiser le volume de l'actionneur et de maximiser le gain de puissance dynamique du positionneur, mais c'est un peu plus compliqué. Cette combinaison de facteurs peut être

dangereuse du point de vue de la stabilité. Si l'on reconnaît que la combinaison

positionneur/actionneur est sa propre boucle de suivi, il est possible que le gain de la boucle positionneur/actionneur soit trop élevé pour utiliser la conception de l'actionneur, ce qui

provoque une oscillation instable de l'ensemble de la vanne. De plus, réduire le volume de l'actionneur a un effet indésirable sur le rapport poussée/friction, qui augmente la bande morte de l'ensemble de la vanne et donc le temps mort.

Si le rapport total poussée/friction n'est pas adapté à une application donnée, une option consiste à augmenter la capacité de poussée de l'actionneur en utilisant un actionneur de la taille suivante ou en augmentant la pression de l'actionneur. Ce rapport poussée/

friction plus important réduit la bande morte,

Temps de réponse de la vanne

Taille de la phase T(d) secondes T63 secondes

SPÉC. ENTECH TAILLE DE LA VANNE 4” % s0.2 s0.6

Vanne A (Fisher V150HD/1052(33)/3610J)

Action de la vanne : Ouverture 2 0,25 0,34

Action de la vanne : Fermeture -2 0,50 0,74

Action de la vanne : Ouverture 5 0,16 0,26

Action de la vanne : Fermeture -5 0,22 0,42

Action de la vanne : Ouverture 10 0,19 0,33

Action de la vanne : Fermeture -10 0,23 0,46

Vanne B

Action de la vanne : Ouverture 2 5,61 7,74

Action de la vanne : Fermeture -2 0,46 1,67

Action de la vanne : Ouverture 5 1,14 2,31

Action de la vanne : Fermeture -5 1,04 2

Action de la vanne : Ouverture 10 0,42 1,14

Action de la vanne : Fermeture -10 0,41 1,14

Vanne C

Action de la vanne : Ouverture 2 4,4 5,49

Action de la vanne : Fermeture -2 NR NR

Action de la vanne : Ouverture 5 5,58 7,06

Action de la vanne : Fermeture -5 2,16 3,9

Action de la vanne : Ouverture 10 0,69 1,63

Action de la vanne : Fermeture -10 0,53 1,25

NR = No Response (pas de réponse)

Figure 2.4 Récapitulatif du temps de réponse de la vanne

Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation

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ce qui devrait contribuer à réduire le temps mort de l'ensemble. Toutefois, ces deux alternatives entendent qu'un plus grand volume d'air est nécessaire à l'actionneur. La compensation est un effet possible qui porterait préjudice au temps de réponse de la vanne en augmentant le temps dynamique.

L'une des manières de réduire le volume de la chambre d'air de l'actionneur consiste à utiliser un actionneur à piston et non pas un actionneur à ressort et membrane, mais ce n'est pas la meilleure solution. Les

actionneurs à piston disposent généralement d'une meilleure capacité de poussée que les actionneurs à ressort et membrane, mais ils ont également une plus grande friction, ce qui peut contribuer à provoquer des problèmes de temps de réponse de la vanne.

Pour obtenir la poussée voulue avec un actionneur à piston, il faut généralement utiliser une pression d'air plus importante que celle d'un actionneur à membrane, car la surface du piston est moindre. Cela entend qu'un plus grand volume d'air est nécessaire, avec les effets négatifs que cela entend pour le temps dynamique. De plus, les actionneurs à piston, avec leur plus grand nombre de surfaces de guidage, tendent à avoir une plus grande friction au vu des difficultés

d'alignement qui les caractérisent, ainsi que de la friction exercée par le joint torique. Ces problèmes de friction tendent à augmenter avec le temps. Quelle que soit la qualité initiale des joints toriques, ces matières élastomères se dégraderont avec le temps sous l'effet de l'usure et d'autres conditions environnementales. De la même façon, l'usure des surfaces de guidage augmentera la friction et l'appauvrissement de la lubrification. Ces problèmes de friction provoquent une plus grande bande morte de l'actionneur à piston, ce qui augmentera le temps de réponse de la vanne à travers le temps mort prolongé.

2.3.1.4 Pression d'alimentation

La pression d'alimentation de l'instrument peut elle aussi avoir un impact significatif sur les performances dynamiques de l'ensemble de la vanne. Elle peut par exemple influer de manière importante sur le gain du

positionneur, mais aussi sur la consommation générale d'air.

Les positionneurs à gain fixe ont généralement été optimisés pour une pression d'alimentation donnée. Toutefois, ce gain peut varier sous l'effet d'un facteur de un ou deux sur une petite gamme de pressions d'alimentation. Un positionneur qui a par exemple été optimisé pour une pression d'alimentation de 20 psig pourrait voir son gain réduit de moitié lorsque la pression d'alimentation passe à 35 psig

La pression d'alimentation influe également sur le volume d'air fourni à l'actionneur, ce qui détermine la vitesse. Elle est également directement liée à la consommation d'air. Là encore, les distributeurs à tiroir à gain élevé peuvent consommer jusqu'à cinq fois la quantité d'air nécessaire à des positionneurs à deux étages bien plus efficaces, qui utilisent des relais pour la phase d'amplification de puissance.

2.3.1.5 Minimisation du temps mort Pour minimiser le temps mort de l'ensemble de la vanne, minimiser la bande morte de l'ensemble de la vanne, qu'elle soit due à la friction du joint de la vanne, à la friction de la garniture, à la torsion de l'arbre, à la conception de l'actionneur ou à celle du positionneur. La friction est une cause majeure de bande morte dans les vannes de régulation. Sur les vannes rotatives, la torsion de l'arbre peut également largement contribuer à la bande morte. Le type d'actionneur a lui aussi un impact important sur la friction de l'ensemble de régulation.

En général, les actionneurs à ressort et membrane génèrent moins de friction sur l'ensemble de régulation que les

actionneurs à piston. Comme indiqué, cela est dû à l'augmentation de la friction du joint torique du piston, à des problèmes d'alignement erroné et à une lubrification erronée.

La conception d'un positionneur à gain élevé peut provoquer une différence importante de la réduction de la bande morte. Cela peut également apporter une amélioration significative de la résolution de l'ensemble de la vanne. Les ensembles de vanne dont la bande morte et la résolution sont de 1% ou moins ne sont plus adaptés à de nombreux besoins de réduction de la variabilité du procédé. Nombre de procédés exigent que l'ensemble de la vanne ait une bande morte et une résolution de 0,25%, en particulier

lorsque l'ensemble de la vanne est installé sur une boucle de procédé rapide.

2.3.1.6 Temps de réponse de la vanne L'un des éléments étonnants dans un grand nombre d'études effectuées dans le secteur sur le temps de réponse de la vanne a été le changement de point de vue quant aux actionneurs à ressort et membrane par rapport aux actionneurs à piston. Dans le domaine du procédé, on a longtemps pensé, à tort, que les actionneurs à piston sont plus rapides que les actionneurs à ressort et membrane. La recherche a montré que ce n'est pas vrai pour les petites modifications du signal.

Cette conviction erronée était due à de nombreuses années d'expérience dans les essais visant à examiner le temps de course des vannes. Un essai de temps de course est normalement réalisé en soumettant l'ensemble de la vanne à un changement de phase de 100% du signal d'entrée et en mesurant le temps nécessaire à l'ensemble de la vanne pour terminer sa course compète dans les deux sens.

Bien que les vannes actionnées par un piston ne présentent généralement pas un temps de course plus rapide que la plupart des vannes actionnées par ressort et membrane, ce test n'indique pas les performances de la vanne dans une situation de contrôle de procédé représentative où, dans les applications de contrôle du procédé normales, il est rarement demandé à la vanne de parcourir la totalité de sa plage de fonctionnement. En général, la vanne ne doit répondre que dans une plage de 0,25% à 2% de la position de la vanne.

L'essai massif des vannes a montré que les ensembles de vannes à ressort et membrane sont largement plus performants que les vannes actionnées par un piston lorsqu'il s'agit de petits changements du signal, ce qui est plus représentatif des applications de contrôle de régulation du procédé. Une friction supérieure sur l'actionneur à piston est l'un des facteurs qui portent à les rendre moins réactives aux petits signaux que les actionneurs à ressort et membrane.

Il n'est pas facile de sélectionner la vanne, l'actionneur et le positionneur adéquats. Il ne s'agit pas simplement de trouver une combinaison qui soit physiquement compatible. Un bon jugement en termes d'ingénierie doit prendre en considération l'aspect pratique du dimensionnement et de la sélection de l'ensemble de la vanne pour obtenir les meilleures performances dynamiques de la boucle.

La Figure 2.4 illustre les différences importantes du temps mort et du temps de réponse T63 général provoquées par les différences de la conception de l'ensemble de la vanne.

2.1.4 Type de vanne et caractérisation