Performance et fiabilité des électrovannes : facteurs clés de la réussite des achats

Plusieurs facteurs doivent être pris en compte pour garantir le bon fonctionnement d'une électrovanne au sein d'un système ou d'un récipient sous pression.

Négliger ces facteurs peut entraîner une baisse des performances de la vanne ou du système, endommager d'autres composants du système, voire provoquer une panne totale. Les caractéristiques clés suivantes doivent être définies lors du choix d'une vanne. électrovanne:

Pressions du système

Trois valeurs limites de pression doivent être définies pour toute électrovanne :

• Pression de serviceou la plage de pression à laquelle la vanne sera soumise en fonctionnement normal.
• Pression d'épreuveou la pression que la vanne doit pouvoir supporter sans subir de dégradation de ses performances lorsque le système revient à sa pression de fonctionnement.
• Pression d'éclatement, ou la pression à laquelle la soupape devrait résister sans se rompre ni éclater (bien qu'elle puisse être endommagée et nécessiter une réparation ou un remplacement ultérieur).

Outre la détermination des pressions nominales pertinentes, le concepteur du système doit également identifier les conditions de fonctionnement typiques et les variations de pression transitoires susceptibles d'affecter l'électrovanne. Ces variations sont généralement dues à des fluctuations dynamiques causées par des perturbations au sein des systèmes sous pression. Elles peuvent engendrer des niveaux de pression extrêmes et des vitesses de montée en pression plus dommageables que les augmentations de pression typiques du système. La protection contre les augmentations de pression typiques du système repose sur des méthodes qui peuvent s'avérer insuffisantes pour atténuer les variations de pression transitoires.

Débit

Lorsqu'elle est ouverte, l'électrovanne ne doit pas entraver le système en restreignant excessivement le débit ou en générant une différence de pression trop importante, ce qui nuirait aux performances du système en aval. Par exemple, si la fonction d'une électrovanne est de remplir une cavité de fluide lorsqu'elle est ouverte, son débit doit être dimensionné pour permettre le passage du volume nécessaire dans le temps requis.

Le débit peut également être important pour le bon fonctionnement de l'électrovanne. Certaines configurations d'électrovannes nécessitent un débit minimal pour s'ouvrir correctement et éviter toute instabilité.

Fuite

Les fuites de soupapes peuvent être classées en trois catégories distinctes, décrites ci-dessous.

• Fuite due à l'écoulement du fluide autour de l'extérieur du corps de la vanne, notamment au niveau des filetages, des joints toriques ou d'autres éléments d'installation.
• Fuite de fluide s'écoulant au-delà des joints internes des vannes fermées.
• Fuite de fluide s'écoulant de l'intérieur de la vanne vers l'extérieur par un passage qui n'est pas destiné à être une voie d'écoulement.

Les tolérances de fuite peuvent être influencées par plusieurs variables (comme l'état du système (ouvert ou fermé), le volume de fluide, le rendement souhaité et l'impact négatif d'une fuite de fluide en aval). Par exemple, une fuite peut entraîner une composition de fluide inadéquate en aval d'une électrovanne servant à mélanger plusieurs fluides.

Tension nominale

La tension nominale est la tension maximale que la bobine peut supporter sans être endommagée. Par mesure de sécurité, la tension nominale maximale de la bobine doit être supérieure à la tension que le système est capable de fournir.

Tension d'enclenchement

La tension d'enclenchement est la tension nécessaire pour faire passer la vanne de sa position de repos (ou hors tension) à sa position sous tension. Elle est généralement spécifiée comme une tension minimale afin de garantir le déplacement complet de la vanne. On l'appelle également tension d'actionnement ou tension de mise sous tension.

Tension/courant de maintien

La tension de maintien est la tension minimale requise pour qu'une électrovanne reste alimentée. Elle est souvent utilisée pour minimiser la consommation d'énergie ou limiter la température stabilisée de la bobine lors du fonctionnement de l'électrovanne. L'intensité de la force exercée par la bobine sur l'armature est proportionnelle à :

• le courant électrique traversant la bobine,
• le nombre de spires de la bobine, et
• la distance entre l'armature et le pôle.

La force exercée par la bobine sur l'armature est maximale lorsque celle-ci est en contact avec le pôle. Dans cet état, il est possible de réduire la tension fournie au solénoïde tout en maintenant la vanne sous tension, diminuant ainsi la force sur l'armature. La valeur de maintien peut également être exprimée en courant plutôt qu'en tension.

Tension de décrochage

La tension de déclenchement correspond au niveau de tension qui provoque le retour de la vanne à son état de repos après avoir été en position ouverte. Elle est généralement exprimée comme une tension maximale ; à un niveau inférieur, la vanne peut retourner à son état de repos. La tension de déclenchement est également appelée tension de mise hors tension.

Temps de réponse

Le temps de réponse d'une électrovanne est défini comme le temps écoulé entre l'application d'une tension d'entrée et le passage de la vanne en position ouverte. Le temps de réponse à l'enclenchement est le temps qui s'écoule entre l'application de la tension d'enclenchement et le passage de la vanne en position ouverte. Le temps de réponse à l'arrêt est le temps qui s'écoule entre la suppression de la tension et le passage de la vanne en position fermée.

Lors du choix d'une électrovanne, le temps de réponse peut s'avérer déterminant. Dans certaines applications, un temps de réponse rapide peut être crucial pour les performances globales de la vanne. Par exemple, un temps de réponse court permet à l'électrovanne de distribuer des volumes de fluide plus petits et plus précis de manière plus constante. À l'inverse, un temps de réponse lent peut limiter l'utilisation de la modulation de largeur d'impulsion (MLI) pour la régulation proportionnelle du débit.

Consommation d'énergie

L'alimentation d'une électrovanne consomme de l'énergie, et la puissance admissible par un système dépend de nombreux facteurs. Dans certains cas, réduire la consommation d'énergie permet de réaliser des économies substantielles. Le plus souvent, cela est lié à la fois à la source d'alimentation et à la puissance requise par les autres composants électriques du système. Par exemple, une prise murale ou un moteur à courant continu fournissent une certaine quantité d'énergie à un instant donné, qui doit être partagée par l'ensemble du système. Si un système est alimenté par batterie, la consommation d'énergie détermine également l'autonomie de la batterie.

Matériels

Une électrovanne est composée de nombreux sous-composants. Chaque composant doit être constitué de matériaux capables de résister aux différentes contraintes auxquelles la vanne sera soumise durant sa durée de vie. Cela inclut les pressions internes et externes, ainsi que les vitesses de montée en pression associées.

Les matériaux des sous-composants doivent être compatibles avec leur environnement, notamment avec les fluides externes et les températures associées. Par exemple, une vanne peut être soumise à une humidité extrême ou intégrée à un système immergé dans d'autres liquides ou gaz. Le choix des matériaux de la vanne doit également être pris en compte lors de son installation dans le système. Négliger la compatibilité des matériaux peut engendrer des problèmes liés à la dilatation thermique, à la corrosion ou à la dégradation générale des matériaux.

Enveloppe

L'encombrement est un autre facteur important à prendre en compte lors du choix d'une électrovanne. Les concepteurs du système doivent d'abord considérer l'emplacement de la vanne au sein du système et le trajet souhaité pour le fluide. Le système peut exiger que la vanne soit située dans une zone spécifique, ce qui peut limiter les dimensions externes et la taille globale de l'électrovanne elle-même. L'emplacement peut également imposer le trajet du fluide en fonction des conduites existantes.

De plus, l'enveloppe doit tenir compte des exigences d'installation, de fixation et de maintenance. L'installation sera-t-elle permanente ou amovible ? Par exemple, certains corps de vannes sont des cartouches qui doivent être insérées dans un collecteur et maintenues en place par un dispositif de retenue. Leur installation ou leur retrait exige un effort considérable et peut même nécessiter le démontage complet du système. Les électrovannes en ligne, quant à elles, peuvent n'établir un contact physique que par l'intermédiaire des tubes raccordés à chaque extrémité. Dans ce cas, les câbles électriques peuvent être facilement installés et retirés.

Enfin, les concepteurs doivent évaluer si la vanne sera utilisée dans un système où le poids est un facteur critique (par exemple, dans un système portable). Outre l'interface physique, une électrovanne doit être raccordée à une source d'alimentation électrique. Par conséquent, l'interface électrique doit également être spécifiée. Les connexions électriques courantes comprennent les broches de contact, les fils conducteurs, les connecteurs électriques et les supports pour circuit imprimé.

Durée de vie opérationnelle

Une électrovanne peut se dégrader avec le temps et ne plus répondre à certaines spécifications de performance, voire cesser de fonctionner. Les composants peuvent se détériorer en raison de l'érosion naturelle du matériau ou de l'usure causée par les chocs ou les frottements entre les sous-composants mobiles. Il est essentiel de connaître la durée de chaque cycle d'actionnement de la vanne ainsi que le nombre maximal de cycles que l'électrovanne peut supporter. Cela permet au concepteur du système d'estimer sa durée de vie ou d'établir un plan de maintenance préventive pour le remplacement des électrovannes.

Propreté

La contamination représente un risque sérieux pour tout système pneumatique ou hydraulique. Une électrovanne peut retenir des traces de fluides de fabrication, de fluides de test, de débris ou de poussière, à sa surface ou à l'intérieur même de la vanne. Cette contamination peut provenir de divers procédés de fabrication ou de l'environnement auquel la vanne est exposée lors de sa fabrication, de son transport ou de son stockage. Dans la plupart des cas, la quantité infime de contamination présente sur la vanne après production est considérée comme acceptable. Toutefois, si le système ne tolère aucune contamination, même minime, la vanne peut nécessiter des procédures de nettoyage et de conditionnement spécifiques. On peut citer en exemple une électrovanne utilisée dans un respirateur pour contrôler le débit d'oxygène administré à un patient. Les secteurs spatial, automobile et médical ont chacun défini des niveaux de propreté spécifiques qui imposent des exigences de prévention de la contamination pour certains composants ou systèmes.