IV. Capteur - Transmetteur Transmetteur

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IV.
Capteur - Transmetteur
IV.1.1 Schéma général
Energie
Grandeur
Physique
Capteur
Transmetteur
Signal de
Sortie
Normalisé
Un capteur est un élément d'un appareil de mesure auquel est directement appliquée une
grandeur à mesurer et dont le signal de sortie n'est pas directement utilisable comme signal
d'entrée dans une chaîne de mesure ou d'une boucle de régulation. (comme par exemple un
thermocouple délivrant une fem de quelques mV).
Un transmetteur est un appareil de mesure dont l'entrée est issue d'un capteur et dont la sortie
est un signal conforme à un standard analogique (0,2-1 bar ou 4-20 mA) ou numérique,
directement utilisable dans une chaîne de mesure ou d'une boucle de régulation.
Cependant, le terme , capteur , est souvent utilisé à tort pour désigner un transmetteur et vice
versa.
Définition de la NF C 46-303 : Appareil, qui recevant une vraie variable mesurée, produit un
signal de sortie normalisé pouvant être transmis et ayant une relation continue et définie avec
la variable mesurée
Variable mesurée
par capteur
Standards analogiques
Transmetteur
0 – 10 V
4 – 20 mA
0.2 – 1 bar
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Annu
1195
Orifice
Intégré
Tuyè
Plaque
à
Orifice
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Sondes pH et O2
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V - Vanne de régulation
V.1 Définition
La NF C 46.502 "Vannes de régulation des processus industriels- Considérations générales"
en donne la définition suivante :
"Dispositif actionné mécaniquement qui modifie la valeur du débit de fluide dans un système de
commande de processus. Il est constitué d'une vanne reliée à un actionneur capable de faire varier la
position d'un organe de fermeture dans la vanne en réponse à un système de commande".
La vanne de réglage constitue l'élement final de contrôle dans la boucle de régulation. Elle
seule permet une intervention sur le processus.
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V.2
Technologie d’une vanne de régulation conventionnelle
Diaphragme
Ressort
Indicateur de course
Presse-étoupe
Siège
Clapet
Une vanne de réglage est un ensemble constitué :
- d'un corps de vanne.
- d'un servomoteur ou actionneur.
A ces organes peuvent être ajoutés :
- une commande manuelle qui permet le réglage manuel de débit, généralement
utilisée en organe de secours.
- un positionneur qui est un organe d'asservissement.
- un système de recopie de position.
- un ou deux contacteurs de fin de courses.
- Un filtre détendeur.
- ...
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Servomoteur ou Actionneur.
L'actionneur peut être mu par une énergie pneumatique, électrique, hydraulique ou toute combinaison
de ces énergies. Le choix du type d'énergie est essentiellement lié à des problèmes de puissances,
de temps de réponse, de disponibilité, de fiabilité et de coût.
Position de sécurité.
La conjugaison d'un corps de vanne et d'un servomoteur donne soit une
vanne OMA soit une vanne FMA.
la vanne se ferme par pression
la vanne s'ouvre par pression




OMA (Ouverte par manque d'air)
Fail Open
Air To Close
FMA (Fermée par manque d'air)
Fail Closed

Air To Open

En définitive ce qui importe à l'utilisateur, c'est la position de sécurité. Ce choix est fonction
de la sécurité du processus en cas de coupure d'alimentation en air instrument.(niveau local ou
usine), voire coupure du signal du régulateur.
Généralement : En chauffe, e.g. combustible vers brûleurs, la vanne est FMA.
En refroidissement, e.g. eau de refroidissement/échangeur la vanne est OMA.
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V.3
Vanne et Circuit
V.3.1 Point de fonctionnement
V.3.2 Rôle d’une vanne de régulation.
On peut illustrer la plupart des circuits contrôlés par une vanne de régulation selon le schéma
et l'abaque suivants
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V.4
Qualités relatives à l'écoulement des fluides dans la vanne.
La vanne doit posséder un certain nombre de caractéristiques pour obtenir une adaptation
optimale dans le processus à contrôler :
- coefficient de débit.
- rangeabilité ou coefficient intrinsèque de réglage.
- caractéristique intrinsèque de débit.
- débit de fuite au siège.
- conditions de cavitation et de vaporisation.
- bruit.
V.4.1 Définitions
Course.
Deplacement de l'organe de fermeture à partir de la position de fermeture.
On distingue :
 la course nominale représentant le déplacement entre la position de fermeture et celle de
pleine ouverture.
 la course relative (h) représentée par le rapport entre la course à une ouverture donnée et la
course nominale. On exprime généralement h en % de la course nominale.
Débit
Débit de fluide (compressible ou incompressible) qui traverse la vanne pour une course
relative donnée, dans des conditions définies.
le débit nominal de la vanne est celui qui traverse la vanne à la course nominale, dans des
conditions définies (débit à pleine ouverture).
Débit de fuite.
Débit de fluide traversant une vanne en position de fermeture, dans des conditions d'essais
spécifiées.
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V.4.2 Caractéristique intrinsèque de débit.
Définition
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V.4.3 Caractéristique installée
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V.4.4 Dimensionnement de vanne : Cv.
Coefficient de réglage ou Rangeabilité
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V.4.5 Régime d’écoulement : vaporisation, cavitation
Variation de la pression statique à travers la vanne.
.
Rappel : Bernoulli  La restriction de la section de passage présentée par
la vanne provoque une augmentation de la pression dynamique. Il en
résulte une diminution de la pression statique fonction de la :
- géométrie interne de la vanne,
- et de la valeur de la pression statique en aval de la vanne.
Cette diminution de la pression statique doit être comparée à la tension de vapeur du liquide à
la température d'écoulement, car il peut en résulter des phénomènes nuisibles à la qualité du
contrôle ou à la tenue du matériel.
V.4.5.1 - Cavitation.
Courbe 2
Lorsque la pression statique, Psc (Pression à la section contractée) dans la veine fluide décroît et atteint la
valeur de la tension de vapeur du liquide à la température d'écoulement, le phénomène de cavitation apparaît :
formation de petites bulles de vapeur au sein du liquide.
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Quand la pression statique s'accroît à nouveau (diminition de la vitesse par élargissement de la veine
fluide), les bulles de vapeur se condensent et implosent.
Ce phénomène de cavitation présentent les inconvénients suivants :
- Bruit d'un niveau sonore inacceptable.
- Vibrations à des fréquences élévées.
- Destruction rapide du clapet, du siège et du corps de vanne.
- Le débit traversant la vanne n'est plus proportionnel à P (phénomène d'engorgement). On distingue les
phases suivantes :
- la phase de cavitation naissante : la courbe q = f (P) s'incurve;
- la phase de cavitation totale : à une ouverture fixe, le débit n'augmente plus, même si P augmente. On
atteint le régime critique.
V.4.5.2 Vaporisation
Courbe 3
Si la pression statique en aval de la vanne est faible (forte perte de charge dans la vanne), le processus
d'implosion des bulles gazeuses ne se produit pas. Celles-ci restent présent dans la veine fluide, d'ou le
phénomène de vaporisation.
Inconvénients :
-Bruit de niveau sonore inférieur à celui provoqué par la cavitation.
- dommages mécaniques par le passage à grande vitesse d'un mélange gaz-liquide.
- régime critique.
V.4.5.3 Conséquences pratiques
On doit calculer et choisir une vanne de régulation ne présentant pas de phénomène de cavitation. Tout au plus
peut-on accepter une cavitation naissante.
De même, une vanne présentant un phénomène de vaporisation ne doit pas être utilisée.
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VI) Le Régulateur Proportionnelle Intégrale et Dérivée
Fonction : compare mesure et consigne, calcule la correction et commande la vanne
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VI.1 Structure et Fonctions d’un régulateur P.I.D.
Les signaux:
M : mesure, elle provient du transmetteur (grandeur à régler), elle est normalisée (4 - 20 mA,
0,2 -1 bar)
C : Consigne externe, elle provient d’un instrument extérieur
S : Sortie du régulateur , signal de commande, elle actionne l’organe de réglage (vanne) (4 20 mA, 0,2 -1 bar)
Les blocs
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Les différentes parties d'un régulateur et Quelques indications sur les régulateurs industriels
Les réglages
A. Réglage de la consigne
B. Réglage des action P, I et D
C. Réglages des limites de la sortie du régulateur pour ne pas endommager la vanne
D. Réglage de la sortie en position manuelle
Les sélecteurs
A. Consigne interne et externe
B. Sens d’action du régulateur
C. Passage du mode automatique à manuel
Les indicateurs
A. Indicateur de consigne
B. Indicateur de mesure
C. Indicateur de l’erreur de réglage
D. Indicateur de la sortie du régulateur
Quelques indication sur les régulateurs industriels
Mesure : PV (process variable) Consigne interne : L ou Local
Sortie : OUT (output)
Consigne externe D ou R (Distance ou Remote)
Consigne : SP (set point)
Consigne suiveuse PVT : Process Variable Tracking
Direct : Direct ou Decrease
I : Inverse ou Increase
(+) : Directe
(-) : Inverse
Manuel : M, MAN ou Manual Auto : A, Aut. Auto
Limites hautes : O.H. ou L.H. Limites
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VI.1 Sens d’action d’un régulateur
Schéma général du régulateur P.I.D.
M(t )
X( t)
S(t )
P.I.D.
C( t)
Sortie du m odule de calc ul vers actionneur
Entrée du m odule de ca lcul
Algorithm e P.I.D. : Élaboration du signa l de commande
S( t) = f (M(t) – C(t))
2
Schéma général du régulateur P.I.D.
M( t)
X(t)
S(t)
P.I.D.
C (t)
Sortie du module de calcul ve rs actionne ur
Entrée du m odule de calcul
Algorithm e P.I.D. : Élaboration du signa l de comma nde
S(t) = f (C (t)– M(t) )
3
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VI.2 Régulateur à action Proportionnelle
(Régulateur P)
S (t )  Gr  x(t )   S(t 0 )
E
S
G rx
P
x
temps
t0
t0
E
S
Xt
t0
G rx t
temps
temps
t0
4
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VI.3 Régulateur à action Proportionnelle et Intégrale
(Régulateur PI)
t
S(t )  Gr ( x(t )  n x (t ) dt)  S( t )

t

0
0
E
S
Gr n x t
PI
x
Gr x
temps
t0
temps
t0
5
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VI.4 Régulateur à action Proportionnelle, Intégrale et Dérivée
(Régulateur PID)
t
dx 

S (t )  G r  x(t )  n  x( t )dt  Td ( t )   S (t0 )
t0
dt 

E
S
Gt x
PID
x
Gr Gt n x t
Gr x
temps
t0
temps
t0
6
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VII - Régulation en Boucle Fermée
Il y a deux manières de “qualifier” une régulation en boucle fermée. La première
(comportement en régulation) consiste à voir comment elle réagit à une perturbation
extérieure. La seconde (comportement en asservissement) consiste à voir sa réaction à une
variation de consigne.
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VII.1 - Rôle de l'action Proportionnelle
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VII.2 - Rôle de l'action intégrale
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VII.3 - Rôle de l'action Dérivée
,
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VII.4 Critères de performance d’une régulation
Rapidité
M\ 5%
 C
TEBF1
TEBF2
TEBF3
Critère : T emps d’étab lissement en boucle fermée
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Précision

 C
Critère : Précision (%) 

 100
C
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Stabilité
M
e
s
u
r
e
C
Peu amo rti
Très amorti
Divergen t
Stabilité
D1
D2
D3
To lérab le si critère 1 ou 2
 C
Acceptable
D1
 100  10 %
C
Très exigente
Critère 1: Premier Dépassement , D1 = 10%
ou
Critère 2 : Amortissement par le quart d’amplitu de
D3 D2 1


D 2 D1 4

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