Principe de fonctionnement des vannes piézoélectriques et leur application dans les positionneurs de vannes intelligents

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Les composants pneumatiques d’un positionneur de valve intelligent sont généralement constitués d’un convertisseur électro-pneumatique et d’un amplificateur pneumatique. Les convertisseurs électro-pneumatiques utilisent principalement deux types de technologies : la technologie des vannes piézoélectriques basées sur l’effet piézoélectrique de cristaux à structure asymétrique, qui reçoivent généralement des signaux numériques (impulsions électriques) pour générer une sortie pneumatique à deux états ； La technologie de convertisseur I/P basée sur les principes électromagnétiques et un mécanisme de jet/obturateur pneumatique produit généralement une sortie pneumatique en mouvement continu à partir d’un signal électrique analogique. Les régulateurs de vannes intelligents SIPARTPS SP2 de Siemens en Allemagne et ND9000 de NelesMetso aux États-Unis utilisent des convertisseurs électro-pneumatiques à structure de valve piézoélectrique ； Quant aux régulateurs de vannes tels que le DVC6000 de Fisher aux États-Unis, le SAM-SON373X en Allemagne et le SVP3000 d’Azbell au Japon, ils utilisent un convertisseur électro-pneumatique à structure à clapet à jet. Ces deux types de convertisseurs électro-électriques représentent l’approche dominante actuellement à l’échelle internationale pour les positionneurs intelligents. La valve piézoélectrique est un nouveau type de valve de contrôle qui utilise l’effet piézoélectrique des matériaux piézoélectriques pour actionner la valve. Elle présente des avantages tels qu’une haute précision, une réponse rapide, une faible consommation d’énergie, une longue durée de vie et une structure compacte. On présente la structure et le fonctionnement de quelques valves piézoélectriques couramment utilisées, ainsi que la structure du circuit pneumatique des régulateurs de vannes intelligents équipés de valves piézoélectriques. En prenant comme exemple le régulateur de vanne intelligent SIPART SP2 de Siemens, on explique le principe de fonctionnement des régulateurs de vannes intelligents utilisant la technologie des valves piézoélectriques. 1. Structure et principe de fonctionnement de la valve piézoélectrique yunrun.com.cn/tech/2210.html La valve piézoélectrique fonctionne sur le principe de l’effet piézoélectrique inverse. Elle présente des avantages remarquables tels qu’une consommation d’énergie faible et une faible puissance (courant d’alimentation de seulement 10 MA), une miniaturisation précise, une réponse rapide et une grande durabilité. De plus, elle permet une digitalisation complète du positionneur de valve. Actuellement, les composants à valve piézoélectrique des parties pneumatiques des régulateurs de vannes intelligents sont pour la plupart produits par la société allemande Hoerbiger ; on y utilise principalement des membranes à valve piézoélectrique de la série P9 et des composants à valve piézoélectrique de la série P20. Les composants à valve piézoélectrique utilisés dans le PS2 de Siemens sont également commandés auprès de Hoerbiger. À titre d’exemple, nous présentons la structure et le principe de fonctionnement de la valve piézoélectrique de la société Holbig. ①Vanne piézoélectrique à action directe : Le principe de la vanne piézoélectrique repose sur la déformation d’un matériau piézoélectrique sous l’effet d’un champ électrique, afin d’ouvrir et de fermer l’orifice d’admission de la vanne pneumatique. La structure de la valve de réorientation à action directe miniature est présentée à la figure 1 : http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160037223794.png Figure 1 : Structure et principe de fonctionnement de la valve piézoélectrique à action directe. La pièce courbée au centre de la valve piézoélectrique est une plaque piézoélectrique composée de matériau piézoélectrique. La structure de la plaque piézoélectrique est un cristal piézoélectrique formé par la colle de deux fines feuilles métalliques élastiques ; des électrodes sont créées par revêtement sous vide sur ses deux surfaces fonctionnelles. La déformation de la plaque piézoélectrique sous l’action d’un champ électrique permet de réaliser une commutation binaire dans les circuits pneumatiques miniatures. Lorsque le cristal piézoélectrique n’est pas alimenté en électricité, l’orifice d’entrée d’air comprimé 1 est fermé, l’orifice de sortie 2 est communicant avec l’orifice de décharge à l’atmosphère 3, la pression à la sortie correspond à la pression atmosphérique, ce qui équivaut à une valve fermée ； Lorsque le cristal piézoélectrique est alimenté en électricité, le cristal supérieur se contracte tandis que le cristal inférieur s’allonge ; la déformation mécanique de relevement atteint plusieurs dizaines de micromètres. Le trou 3, ouvert sur l’atmosphère, se ferme, et l’air comprimé circule du trou 1 vers le trou 2, générant ainsi un signal de pression, ce qui équivaut à l’ouverture d’une vanne. La courbure de la plaque piézoélectrique dépend de la tension d’entrée, le temps de réponse est inférieur à 2 ms, et la tension de hystérésis pour l’action du commutateur à deux positions est d’environ 4 V. Les vannes piézoélectriques peuvent également être conçues pour une sortie proportionnelle, mais en raison d’un grand hystérésis entre les positions haute et basse (une différence de tension d’environ 2 V), elles sont rarement utilisées dans les composants pneumatiques des régulateurs de vannes intelligents. ②Vanne piézoélectrique à amplification de puissance : La vanne piézoélectrique à action directe permet de convertir un signal électrique en un signal pneumatique. Cependant, dans les régulateurs de vannes, il est nécessaire d’amplifier le signal pneumatique afin de faire fonctionner l’organe d’exécution de la vanne de régulation. Pour résoudre ce problème d’amplification du signal pneumatique, les fabricants ont développé des valves piézoélectriques à amplification de puissance. La structure interne et le principe de fonctionnement des vannes piézoélectriques de la série P20 sont présentés à la figure 2 : http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160050443785.png Figure 2 : Structure et principe de fonctionnement de la vanne piézoélectrique à action directe. La P20 se compose d’une feuille de vanne piézoélectrique à action directe P9, d’un amplificateur pneumatique (composé d’une chambre à air, d’une membrane et d’un corps de vanne), d’un réducteur de pression miniature et d’un filtre, entre autres composants. La structure du circuit d’air est similaire à celle d’une valve électromagnétique à deux voies et trois positions, avec une entrée d’air comprimé, une entrée d’air (connectée à l’organe d’exécution) et une sortie d’air (connectée à l’atmosphère). Tension de fonctionnement : 24 VDC, temps de réponse inférieur à 20 ms, pression d’alimentation en air : 120-800 kPa, débit d’air maximal : 7,8 Nm3/h. Sur la figure 2, le côté gauche représente l’état du circuit d’air en cas de déconnexion électrique, tandis que le côté droit représente l’état du circuit d’air en cas de connexion électrique. Lorsque la valve piézoélectrique est alimentée en électricité, la plaque piézoélectrique se déclenche, permettant à l’air, déjà dépressurisé et filtré, d’atteindre l’orifice de sortie de la valve piézoélectrique à action directe. Le signal pneumatique agit sur la membrane de l’amplificateur pneumatique, ce qui fait ouvrir la valve principale. Ainsi, le signal d’air passe par le corps de la valve principale pour atteindre l’orifice d’entrée 2, avant d’être envoyé vers l’organe d’exécution, ce qui provoque le mouvement de la valve, tout en fermant l’orifice de sortie. Lorsque la vanne piézoélectrique perd son alimentation électrique, la plaque piézoélectrique se déclenche pour fermer l’orifice d’entrée d’air, tandis que l’orifice de sortie et l’orifice de vidange se connectent. Le gaz présent dans la chambre pneumatique de l’amplificateur pneumatique est évacué par l’orifice de vidange. La membrane de l’amplificateur pneumatique revient à sa position initiale sous l’effet du ressort de la vanne principale ; le corps de la vanne principale se ferme, ce qui met en communication l’orifice d’entrée d’air et l’orifice de vidange de P20. Le gaz contenu dans l’organe d’exécution est évacué par l’orifice de vidange, et la vanne, privée de pression, se déplace dans la direction opposée sous l’effet du ressort. La valve piézoélectrique à amplification de puissance est, sur le plan structurel, équivalente à une combinaison d’une valve piézoélectrique à action directe et d’un amplificateur de signal pneumatique. Elle permet non seulement la conversion du signal électrique en signal pneumatique, mais aussi l’amplification de la puissance du signal pneumatique, ce qui facilite la conception et la fabrication des régulateurs de vannes intelligents. C’est pourquoi la valve piézoélectrique à amplification de puissance est également largement utilisée dans le contrôle pneumatique des régulateurs de vannes intelligents. 2. Positionneur de valve intelligent avec valve piézoélectrique ① Le positionneur intelligent à structure de circuit pneumatique à valve piézoélectrique est généralement composé de deux composants de valve piézoélectrique amplificateurs de puissance (PV1, PV2) et de deux valves unidirectionnelles (RV1, RV2), comme le montre la figure 3. http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160102257019.png Figure 3 Structure du circuit pneumatique du positionneur de valve intelligent équipé d’une vanne piézoélectrique. Les composants pneumatiques peuvent présenter trois états logiques de circuit : a) État un : PV1 alimenté en électricité, PV2 alimenté en électricité, RV1 ouvert, RV2 fermé ； Le positionneur envoie un signal de pression pneumatique vers la chambre à membrane de l’actionneur pneumatique de la vanne de contrôle, ce qui fait que le levier de la vanne se déplace dans une direction donnée. b, État 2 : PV1 déconnecté, PV2 connecté, RV1 fermé, RV2 fermé ； Le circuit pneumatique du positionneur est fermé, ce qui isole la pression d’air menant à l’actuateur pneumatique. Le circuit pneumatique du positionneur tout entier ainsi que celui de la vanne de régulation restent en état de maintien, et la position de la vanne de régulation ne change pas. c, État 3 : PV1 déconnecté, PV2 déconnecté, RV1 fermé, RV2 ouvert ； Le circuit pneumatique du positionneur est en mode évacuation ; la chambre à membrane de l’actuateur pneumatique est reliée à l’atmosphère par le circuit de la valve piézoélectrique, ce qui permet d’évacuer l’air de la chambre à membrane de l’actuateur. Le levier de la vanne de régulation se déplace dans la direction opposée (par rapport à l’état un). Le positionneur de valve intelligent réalise la régulation du circuit pneumatique de la vanne de régulation grâce aux trois états de circuit pneumatique mentionnés ci-dessus, contrôlant ainsi le fonctionnement de cette dernière. ②Principe de fonctionnement du positionneur de valve intelligent. Par rapport aux positionneurs traditionnels, le positionneur de valve intelligent utilise un principe de contrôle fondamentalement identique : il compare le signal d’entrée avec le retour de position pour réguler le signal de pression de sortie. Cependant, en ce qui concerne les éléments d’actionnement, les positionneurs intelligents diffèrent complètement des positionneurs traditionnels, c’est-à-dire que leur mode de fonctionnement est différent : les positionneurs de vannes intelligents utilisent un microprocesseur comme composant central et emploient de nouveaux dispositifs de conversion électro-pneumatique. Le positionneur électrique intelligent de la série SIPARTPS2 de Siemens est basé sur un microprocesseur et utilise une nouvelle valve piézoélectrique pour remplacer le système de régulation de pression à l’aide de buses et de clapets présent dans les positionneurs traditionnels, permettant ainsi une régulation précise de la pression de sortie et donc une positionnement exact de la vanne. La structure des positionneurs de la série SIPART PS2 comprend principalement un composant d’unité de valve piézoélectrique, une unité de circuit d’alimentation piézoélectrique, une unité de microprocesseur, un panneau de commande à affichage LCD, un capteur de position de la valve, des circuits d’entrée, etc. Principe de fonctionnement du SIPART PS2 : le capteur de position de la tige de vanne détecte le signal d’ouverture réelle de la vanne, le convertit en signal numérique par conversion A/D, puis le compare avec le signal numérique défini à l’extérieur du positionneur (entrée) dans le CPU. La différence entre les deux valeurs est calculée ; si cette différence dépasse la précision de positionnement, le CPU émet un signal de commande pour faire agir les deux vannes piézoélectriques. Lorsque le signal de commande externe est supérieur au signal de retour de position de la vanne, la vanne piézoélectrique V1 s’ouvre, la pression de l’alimentation en air P1 augmente, la pression dans la chambre membrane de l’actuateur augmente ce qui entraîne une ouverture plus grande de la vanne, réduisant ainsi l’écart entre le signal de retour de position et le signal d’entrée ； Lorsque le signal de réglage externe est inférieur au signal de retour de position de la vanne, la vanne piézoélectrique V2 s’ouvre, permettant l’évacuation de l’air par l’orifice de décharge et ainsi réduisant la pression de la source d’air de sortie P1. La diminution de la pression dans la chambre membrane de l’actionneur entraîne une réduction de l’ouverture de la vanne, ce qui diminue l’écart entre les deux signaux. Caractéristiques du localiseur intelligent SIPART PS2 : régulation de la pression de sortie par technologie de modulation de largeur d’impulsion PID (PWM), rapide et précise ； Utilisation de nouveaux dispositifs de valve piézoélectrique pour assurer une précision de contrôle élevée ； La consommation en air du positionneur est extrêmement faible. Les positionneurs intelligents utilisant la technologie des vannes piézoélectriques présentent des avantages tels qu’une grande précision de contrôle, une vitesse de réglage élevée et une faible consommation d’air. Ils représentent l’orientation future des positionneurs intelligents. Avec le temps et les progrès technologiques, l’utilisation des vannes piézoélectriques s’étendra encore davantage.