Comment aplanir une courbe de débit de régulateur pour réduire le statisme

Comment aplatir une courbe de débit de régulateur pour réduire le statisme

Jon Kestner

Un contrôle constant de la pression est essentiel au fonctionnement sûr des systèmes de fluides industriels. Le maintien d'une pression en aval fiable avec un régulateur peut aider à minimiser les changements de débit, en particulier dans un système à haut débit. Cependant, afin de maintenir le contrôle de la pression et de minimiser l'affaissement, des composants externes peuvent être des ajouts nécessaires à votre système de fluide.

Qu'est-ce que Droop ?

Le statisme est défini comme une diminution de la pression de sortie à mesure que le débit en aval augmente. Le graphique ci-dessus (Figure 1) est un exemple de courbe de débit. Une courbe de débit est un outil utile utilisé pour établir la plage de pressions de sortie qu'un régulateur maintiendra en fonction de divers débits du système. Les courbes de débit sont créées par des tests de produits et représentent les performances réelles d'un régulateur pour un ensemble donné de paramètres système.

L'axe vertical affiche la pression de sortie tandis que l'axe horizontal indique le débit en aval. La partie la plus plate, ou la plus horizontale, de la courbe indique où un régulateur conservera une pression constante, même avec des changements substantiels de débit. L'extrême droite de la courbe indique où le régulateur sera complètement ouvert et incapable de maintenir une pression constante. Dans cette zone - entre l'endroit où la pression commence à décliner rapidement jusqu'à l'endroit où elle se rapproche de zéro - le champignon atteint la limite de sa course, ce qui entraîne une perte de contrôle. À ce stade, le régulateur agit moins comme un dispositif de contrôle de la pression et plus comme un orifice de restriction.

Bien que chaque régulateur de réduction de pression présente un certain affaissement, vous pouvez prendre des mesures pour minimiser ce phénomène. Des courbes de débit plus plates peuvent être obtenues en choisissant la bonne configuration de régulateur pour votre système. Quatre options différentes pour réduire le statisme sont expliquées ci-dessous.

Option A :un simple régulateur à ressort

Le type le plus courant de régulateur de réduction de pression est un régulateur à ressort. Dans cette conception, un ressort applique une force sur un élément de détection - soit un diaphragme, soit un piston - qui rapproche ou éloigne le clapet de l'orifice, contrôlant la pression en aval. Nous utiliserons le régulateur à ressort comme référence.

Un régulateur de réduction de pression à ressort offre des performances acceptables pour les applications générales lorsqu'il s'agit de réduire le statisme. Dans cette configuration, à mesure que la demande de débit du système augmente, le clapet du régulateur s'éloigne du siège pour permettre un débit supplémentaire qui, à son tour, permet au ressort de charge de se détendre, abaissant la force de charge et le point de consigne du régulateur. Au fur et à mesure que les demandes de débit changent, la quantité d'affaissement dépend de la raideur du ressort de chargement et, dans certains cas, peut nécessiter des ajustements manuels fréquents pour revenir à la pression de consigne souhaitée si un degré élevé de précision est requis.

Une option plus efficace pour améliorer l'affaissement et aplanir les courbes de débit est un régulateur de réduction de pression à dôme. La force de chargement dans ce type de régulateur n'est pas contrôlée par un ressort, mais par un gaz sous pression logé dans une chambre à dôme. Le gaz fléchit un diaphragme, qui éloigne le clapet de l'orifice et contrôle la pression en aval. Les options restantes ci-dessous exploreront comment les régulateurs chargés par dôme, lorsqu'ils sont associés à divers composants et modifications de conception, peuvent offrir des performances améliorées en minimisant le statisme.

Option B :régulateur à dôme avec régulateur pilote

L'option B couple un régulateur de réduction de pression à dôme avec un régulateur pilote. Dans cette configuration, le régulateur chargé par le dôme répond aux changements de pression en maintenant une pression constante dans la chambre du dôme. Le régulateur pilote est utilisé pour contrôler l'alimentation en gaz de la chambre du dôme du régulateur à dôme chargé. Comme illustré ci-dessus dans la figure 2, toute pression excessive du dôme est soulagée par une boucle de sortie.

Au fur et à mesure que la demande de débit du système augmente, le clapet s'éloigne du siège pour permettre le débit supplémentaire. Cependant, contrairement à un régulateur à ressort, il n'y a pas de ressort de charge qui puisse se détendre. Au lieu de cela, le diaphragme fléchit vers le bas, élargissant la chambre du dôme, abaissant légèrement la pression du dôme. Le régulateur pilote détecte la chute de pression du dôme et réagit en s'ouvrant pour permettre à du gaz supplémentaire d'entrer dans le dôme et en maintenant la pression de réglage prévue. Si la demande de débit du système en aval diminue, le clapet s'élèvera plus près du siège, poussant le diaphragme vers le haut dans le dôme et augmentant légèrement la pression dans le dôme. Cette surpression est autorisée à s'évacuer vers le côté aval du régulateur à travers la boucle de sortie de contrôle dynamique.

Figure 2 :La configuration de l'option B comprend un régulateur à dôme avec un régulateur pilote et une boucle de sortie de contrôle dynamique pour contrôler la pression du dôme.

Si nous nous référons à la figure 1, cette configuration est représentée par la courbe de débit intitulée "Option B". Par rapport à l'option A, la courbe de base du régulateur à ressort, la configuration du régulateur à dôme et du régulateur pilote offrent un contrôle de pression plus dynamique. Bien qu'il y ait encore un certain affaissement, la courbe de débit est plus plate, ce qui représente un régulateur capable de maintenir plus précisément une pression définie sur une large plage de débits. Les régulateurs à dôme standard peuvent être utilisés sur de nombreux systèmes sans se soucier des chutes de pression de sortie importantes. Cependant, le statisme peut être encore réduit en utilisant d'autres configurations expliquées ci-dessous.

Option C :Ligne de rétroaction externe connectée à un régulateur à dôme

Une précision supplémentaire peut être obtenue en ajoutant une rétroaction externe à un régulateur à dôme. La rétroaction externe est envoyée au régulateur en connectant un tube de la ligne de traitement en aval à la zone de détection du régulateur à dôme.

La ligne de rétroaction externe dirige la pression d'un point du système en aval du régulateur vers la zone de détection des régulateurs. Cela permet au régulateur de réagir aux changements de pression à ce point du système plutôt qu'aux seuls changements de pression à l'intérieur du régulateur comme c'est le cas pour les conceptions de régulateurs à dôme standard.

Si nous nous référons à la figure 1, l'option C est représentée comme la troisième courbe de débit. Le débit de fonctionnement augmente avant d'atteindre le point d'étranglement critique. Bien que cette courbe de débit soit plus plate que les deux options précédentes, elle présente toujours un certain affaissement.

Option D :ligne de rétroaction externe connectée à un régulateur pilote

Notre dernière option présente la meilleure configuration pour aplatir la courbe de débit. Comme illustré ci-dessus dans la figure 4, la ligne de rétroaction externe est directement connectée au régulateur pilote au lieu du régulateur chargé par le dôme. Cela permet au détendeur pilote d'effectuer des ajustements très précis de la pression dans la chambre du détendeur à dôme en fonction de la pression aval réelle, ce qui permet au détendeur à dôme de compenser en modifiant sa pression de sortie.

À mesure que les demandes de débit du système augmentent, la pression inférieure est redirigée vers le régulateur pilote via la ligne de rétroaction ajoutée. Le pilote réagit à ce changement de pression en augmentant la pression dans le détendeur à dôme, ce qui permet d'obtenir la pression de réglage appropriée en aval. Dans cette configuration, la boucle de rétroaction permet des ajustements continus et automatiques pour stabiliser le système afin d'optimiser les performances. Ceci est illustré à la figure 1 par la courbe de débit finale avec un faible statisme et une large plage de débit.

Tous les régulateurs présenteront un certain statisme. Selon votre système, le statisme peut être acceptable. Mais lorsqu'il est essentiel de maintenir la pression constante lorsque le débit change, la bonne configuration du régulateur peut aider. Pour plus d'informations sur la sélection de la configuration de détendeur adaptée à vos systèmes de fluides, contactez votre centre de vente et de service Swagelok local pour une évaluation par un expert.