Contrôles de débit

Comme la vitesse d'opération des actionneurs hydrauliques dépend directement de la vitesse du fluide dans les conduites et que la vitesse du fluide dépend directement du débit, il est essentiel de prévoir l'installation, dans les circuits hydrauliques, de composants qui contrôlent ce débit.

Le contrôle de débit sert à surveiller et à ajuster le débit d'un fluide dans un circuit hydraulique.

De façon générale, on distingue deux types de contrôles de débit :

- les étranglements à ouverture fixe ;

- les étranglements à ouverture variable.

Il existe deux catégories d'étranglements (figure suivante) à ouverture fixe :

-l'étranglement à paroi mince ;

-l'étranglement à paroi épaisse .

Étrangleurs à paroi mince et à paroi épaisse :

On peut aussi utiliser un étrangleur fixe pour contrôler la descente d'un vérin (figure suivante).

Contrôle de descente d'un vérin par un étrangleur fixe :

L'étrangleur à paroi mince est insensible à la viscosité du fluide, ce qui n'est pas le cas de l'étrangleur à paroi épaisse.

On utilise les étrangleurs fixes lorsqu'on veut créer une perte de charge volontaire ou bien empêcher un actionneur linéaire de descendre trop rapidement.

On emploie aussi les étrangleurs à paroi mince pour évaluer un débit, à partir de la perte de charge dans l'étrangleur.

Le débit est fourni par l'expression suivante :

.

• S₁ = section de la conduite à l'amont de l'étrangleur (m²).
• S₂ = section de l'orifice de l'étrangleur (m²).
• g = accélération de la pesanteur (m/s²).
• ∆H = perte de charge (m).
• Q_v = débit volumique (m³/s).

Les contrôles de débit sont conçus pour régler le débit volumétrique de la pompe et ainsi rendre acceptables et prévisibles les vitesses des récepteurs (cylindres, moteurs) pour des opérations prédéterminées. La vitesse des actionneurs peut alors être adaptée selon le besoin.

Lors de l'emploi de contrôles de débit, il faut tenir compte des critères suivants :

- les variations de débit ;

- les fluctuations éventuelles de la température du fluide ;

- la nécessité d'un contrôle rigoureux ;

- le type de contrôle de débit (direct ou par soustraction) ;

- la perte de pression causée par la circulation du fluide dans le contrôle de débit, perte donnée sur la courbe des caractéristiques (figure suivante).

Courbe des caractéristiques Q_v = f(∆P) :

Si vous modifiez la grandeur de l'ouverture du contrôle de débit, vous remarquerez que la valeur du débit qui circule change aussi dans le sens de l'ouverture. Or, ce changement de débit s'effectue par tranches.

Si le contrôle est à graduation grossière, ces tranches sont très grandes pour chaque degré d'ouverture du contrôle. Les tranches sont moins importantes pour un contrôle à graduation fine. Le petit graphique ci-après (figure suivante) vous aidera à comprendre le principe.

Graduations grossière et fine :

Pour une variation de l'ouverture de 60° entre x et y, la courbe de la graduation grossière donne une augmentation du débit d'une valeur de 4,75 l/min à 8 l/min, donc 3,75 l/min. En revanche, la courbe à graduation fine donne une augmentation de 0,75 l/min.

Voici un contrôle de débit simple à graduation grossière du débit (figure suivante). A droite, vous remarquerez son emplacement par rapport au vérin.

Contrôle de débit à graduation grossière :

Le symbole du contrôle de débit simple est illustré ci-dessous (figure suivante).

Symbole du contrôle de débit simple :

La figure suivante (figure suivante), quant à elle, vous montre en détail un contrôle de débit à graduation fine.

Contrôle de débit à graduation fine :

En fait, il s'agit d'un régulateur variable à encoche, fente et à ouverture périphérique (figure suivante). Ces régulateurs sont considérés comme des régulateurs à paroi mince ; ils sont donc insensibles aux changements de viscosité.

Régulateurs de débit insensibles à la viscosité :

On sait que la température influence la viscosité du liquide hydraulique. Par exemple, un refroidissement de l'huile fera ralentir la vitesse de sortie d'un vérin. Pour obtenir des vitesses d'opération uniformes, les fabricants se sont efforcés de construire des contrôles de débit insensibles aux changements de viscosité.

Lorsque le débit fait le chemin inverse dans un étranglement ou dans un contrôle de débit et qu'on veut annuler l'effet du composant, on incorpore un clapet en dérivation et à sens unique (figure ci-dessous). Vous en retrouverez le symbole à la figure ci-après.

Contrôle de débit avec dérivation :

Symbole d'un contrôle de débit avec dérivation :

Un schéma d'application du clapet de dérivation est donné ci-dessous (figure suivante).

Application du clapet de dérivation :

Notez que lorsque le vérin effectue une descente, le fluide circule comme suit :

Les régulateurs de débit servent à maintenir le débit constant par rapport à une valeur prédéterminée (valeur fixée à l'avance par l'opérateur).

Le régulateur doit être insensible aux variations de viscosité et aux fluctuations de pression. Pour éviter les changements dans la viscosité du fluide, le régulateur est pourvu d'un orifice variable à paroi mince.

Pour contrer les variations de pression, on incorpore un tiroir de balance de pression au régulateur. Ce tiroir peut s'installer dans des régulateurs à deux ou trois voies.

Comment fonctionnent ces régulateurs et de quelle façon les installe-t-on ?

Dans les régulateurs à deux voies, il est possible d'installer le tiroir de balance de pression de deux manières:

1-La première consiste à disposer le tiroir en série avec l'orifice d'étranglement variable à paroi mince. Le tiroir sera alors placé en amont de l'orifice d'étranglement (figure suivante).

Balance de pression en amont :

Source : CEMEQ.

Sur ce schéma, on retrouve :

E = tiroir de balance de pression.

E_R = étrangleur de réglage.

D_m = diaphragme de mesure.

P₀ = Pression d'entrée.

P₁ = P₀ - ∆Pe (de l'orifice e) constant.

P₂ = P₁ - ∆P_Dm (du diaphragme Dm) variable.

A₀ = section de la section la plus grande du tiroir de balance.

e = A₁ orifice.

A₁ = section de la couronne circulaire du tiroir de balance.

F_D = P₂  A₀ + Force du ressort (faible).

F₀ = P₁  A₀.

A la mise en service, le ressort oblige le tiroir (E) à laisser l'orifice e grand ouvert, donc la pression (P₁)est sensiblement la même que (P₀). Mais le passage dans le diaphragme (Dm) occasionne une perte de pression (delta P). Cette perte fait diminuer la pression (P₀) et (P₁) et elle devient (P₂), ce qui correspond à la relation physique P₂ < P₀ ou P₁.

Lorsque la force (F_D) qui pousse le tiroir vers la droite est inférieure à la force (F_G) qui pousse le tiroir vers la gauche, le régulateur entre alors en fonction. Donc, le régulateur est actionné dès l'instant où : P₁  A₀ > P₂  A₀ + Force du ressort.

 

2-La seconde façon d'installer le régulateur à deux voies consiste à le disposer en série avec l'orifice d'étranglement variable à paroi mince.

Cette fois cependant, le régulateur sera placé en aval de l'orifice d'étranglement (figure suivante).

Balance de pression en aval :

Source : CEMEQ.

Les symboles identifiant les régulateurs à deux voies sont illustrés ci-après (figure suivante).

Symboles des régulateurs à deux voies :

Source : CEMEQ.

Notez que les régulateurs de débit à deux voies sont utilisés sans égard à l'emplacement de la balance de pression.

Au lieu d'être installé en série comme celui à deux voies, le régulateur de débit à trois voies a un diaphragme de mesure disposé en parallèle avec l'étrangleur de réglage.

De plus, l'étrangleur de réglage est fermé au repos au lieu d'être ouvert comme dans le cas du régulateur à deux voies (figure suivante).

Régulateur à trois voies :

Comme l'illustre la figure précédente, le régulateur est actionné dès que :

P₀  A₀ > P₁  A₀ + Force du ressort.

A partir de cet instant, une quantité de fluide circule de la chambre x à la chambre y, c'est-à-dire vers le réservoir.

Voici le symbole graphique d'un régulateur de débit à trois voies avec balance de pression en aval (figure suivante).

Régulateur à trois voies :

Comme le débit excédentaire est dirigé vers le réservoir, les régulateurs à trois voies doivent être utilisés seulement sur l'alimentation des actionneurs.

Ce type de régulateur possède trois avantages par rapport à celui à deux voies :

- La pression de travail de la pompe hydraulique est égale à la pression au récepteur plus la perte de pression (∆P) au diaphragme de mesure. Avec le régulateur à deux voies, la pression de refoulement de la pompe égale le tarage du ressort de la soupape de sécurité.

- Il génère moins de perte de puissance.

- Il dégage moins de chaleur.

Le régulateur à trois voies dirige le fluide de surplus directement vers le réservoir ; il doit donc être muni d'une soupape de sécurité pour éviter tout incident lorsque le travail s'effectue à la pression maximale (figure suivante).

Régulateur à trois voies avec soupape de sécurité :

Les fluctuations de la température du fluide hydraulique occasionnent des changements de viscosité qui, à coup sûr, détraquent le régulateur.

Pour remédier à ce problème, les fabricants utilisent deux méthodes.

La première consiste à installer un diaphragme de mesure (figure suivante) insensible aux variations de viscosité.

Symbole diaphragme de mesure :

La deuxième consiste à incorporer une tige calibrée qui, par dilatation ou contraction, permet de corriger l'ouverture de l'étranglement. Cette ouverture constitue la prise de mesure de la perte de pression ∆P (figure suivante).

Symbole Cetop d'un régulateur de débit variable avec compensateur de température :

Cetop : Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et Pneumatiques.

La figure suivante donne les symboles simplifiés utilisés par le fabricant Vickers.

Symboles des régulateurs de débit :

Source : Vickers.

En résumé sur les contrôles de débit :

A la suite de cette étude, vous devriez être en mesure de retenir plus particulièrement les points suivants :

- Le contrôle de débit limite la quantité de fluide qui circule dans une conduite.

- Les contrôles de débit se divisent en deux catégories :

• ceux à étranglement fixe ;
• ceux à étranglement variable.

  Tous ces étrangleurs peuvent être soit à paroi mince, soit à paroi épaisse. Contrairement à l'étranglement à paroi épaisse, celui à paroi mince est insensible aux variations de viscosité.

- Il faut connaître la courbe caractéristique Q_v = f(∆P) lors de la sélection d'un contrôle de débit.

- Le clapet de dérivation est essentiel au fonctionnement du contrôle qui voit le fluide circuler dans les deux sens.

- Les régulateurs de débit maintiennent un débit constant grâce à leur tiroir de balance de pression et à leur compensateur thermique.

- Les régulateurs de débit se répartissent en deux catégories : ceux à deux voies et ceux à trois voies. Dans le régulateur à deux voies, l'étranglement de réglage est ouvert au repos tandis que dans celui à trois voies, il est fermé au repos. De plus, le régulateur à trois voies possède une soupape de sécurité normalement fermée afin d'assurer l'efficacité du travail en pression maximale.

- Dans les régulateurs Vickers, la compensation se fait en installant dans le régulateur, une tige calibrée qui corrige l'ouverture par sa dilatation ou par sa contraction.

Vous venez d'apprendre le fonctionnement et le rôle des contrôles de débit.