Les opérateurs qui travaillent sur un process comportant des bouteilles de gaz observent parfois un phénomène surprenant : la pression de sortie en aval d'un détendeur augmente sans raison apparente. Au fur et à mesure que la bouteille se vide, la pression du gaz à l'entrée du détendeur diminue. On penserait en toute logique que la pression de sortie devrait également diminuer, mais, en pratique, elle augmente, ce qui amène souvent l'opérateur à penser que le détendeur est défectueux. Plusieurs causes peuvent être àl'ori-gine de ce phénomène, mais l'hypothèse la plus probable n'est pas celle d'un détendeur défectueux. Il s'agit en fait de l'effet de la pression d'alimentation, ou Supply Pressure Effect (SPE) et parfois appelé «dépendance». Il est préférable de réduire au maximum cet effet, parce que, si le SPE d'un détendeur est trop élevé, la variation de la pression peut avoir un impact sur l'efficacité du système. Comme nous allons le voir, il est possible de résoudre le problème du SPE en choisissant le bon régulateur –ou une combinaison de régulateurs– pour une application donnée. Dans de rares cas, l'utilisateur pourra même réduire le SPE en ajustant manuellement la pression de réglage du régulateur. Mais, la plupart du temps, l'utilisateur devra apporter quelques modifications à la configuration de son système. Si cela est possible, il est préférable d'effectuer ces changements dès le début, à savoir lors de la phase de conception, plutôt que dans un système existant. L'utilisateur risquerait alors de rencontrer des problèmes liés notamment à des contraintes d'espace ou à des coûts supplémentaires susceptibles de limiter les options.

Le SPE n'est pas un phénomène périodique

Revenons un instant sur cet effet de la pression d'alimentation. Le SPE est défini comme la variation de la pression de sortie due à une variation de la pression d'entrée (ou d'alimentation). Si cette dernière diminue, on observe une augmentation correspondante de la pression de sortie.A l'inverse, si la pression d'entrée augmente, la pression de sortie diminue. Dans les applications utilisant des bouteilles de gaz, le SPE n'est pas un phéno-mène périodique; il se produit chaque fois qu'apparaît une variation de la pression d'entrée. On ne le remarquera toutefois que dans les situations où la pression d'entrée a varié de manière significative, par exemple lorsqu'une bouteille de gaz s'est vidée et que la pression est passée de 153 bar à 35.

On peut estimer la variation de la pression de sortie d'un détendeur au moyen de la formule suivante: PSortie = PEntrée xSPE. Cela signifie que, si le SPE du détendeur est de 1%, la variation de la pression de sortie est égale à 1% de la variation de la pression d'entrée. Dans l'exemple précédent d'une bouteille de gaz qui se vide, la pression de sortie du détendeur augmente alors de (153-35)x0,01, soit 1,18 bar. Il faut se rappeler que, si la pression d'entrée diminue, la pression de sortie augmente, et inversement. Les valeurs du SPE varient selon les modèles de régulateurs et sont généralement fournies par le fabricant. Cette valeur peut être donnée sous la forme d'un pourcentage (1%, par exemple) ou d'un rapport (10: 1000).

Pour comprendre l'origine du SPE, il faut regarder au cœur même d'un régulateur, comme un modèle à ressort ( voir figures 1a et 1b ). Il s'agit d'un régulateur de base avec un «clapet non équilibré». Un détendeur fonctionne en équilibrant les forces s'exerçant sur la membrane et sur le clapet. Ces forces tendent à bloquer l'écoulement vers l'aval, ce qui a pour effet de diminuer la pression de sortie. Elles proviennent de la pression exercée par le fluide du système –à l'entrée (FI )etàlasortie (F O )dudétendeur et de la tension du ressort du clapet (FS2). Une autre force –celle du ressort de tarage du détendeur (FS )– s'exerce vers le bas sur la membrane, ce qui a pour effet d'ouvrir le clapet et d'augmenter la pression de sortie. L'intensité de la force exercée par le ressort est alors déterminée par le réglage de la pression effectué par l'opérateur.

Les opérateurs qui travaillent sur un process comportant des bouteilles de gaz observent parfois un phénomène surprenant : la pression de sortie en aval d'un détendeur augmente sans raison apparente. L'opérateur est alors amené à penser que le détendeur est défectueux, mais la cause la plus probable est l'effet de la pression d'alimentation (SPE). Il est donc préférable de réduire au maximum cet effet car une variation de la pression peut avoir un impact sur l'efficacité du système.

Sur la figure 1a, la force exercée par la pression d'entrée sur la totalité de la surface du siège (A1 )etlaforce exercée par le ressort du clapet agissent de consert pour fermer le clapet. La force exercée par la pression de sortie sur la face inférieure de la membrane pousse celle-ci vers le haut en amenant le clapet en position fermée contre le siège. Sur la figure1b, la force exercée par le ressort pousse le clapet en position ouverte. Lorsque l'intensité d'une de ces forces varie, les autres agissent de sorte à maintenir l'équilibre.Avec un clapet non équilibré, la force exercée par la pression d'entrée pousse le clapet vers le haut, la pression s'exerçant sur une partie du clapet égale à la surface du siège. Par conséquent, une diminution de la pression d'entrée équivaut à une force FI de moindre intensité, et le clapet s'écarte alors du siège, ce qui augmente la pression en aval. Dans le même temps, l'augmentation de la pression de sortie ne produit pas une force FO suffisante pour contrebalancer celle du ressort de tarage et pousser la membrane vers le haut de sorte à fermer le clapet pour une valeur identique de la pression de sortie. Celui-ci se fermera avec une pression plus élevée.

Recourir à des clapets équilibrés ou à double détente

Plusieurs méthodes existent pour réduire l'effet de pression d'alimentation. Dans de nombreuses applications, en particulier celles faisant intervenir des débits élevés, une méthode couramment utilisée consiste à choisir un détendeur avec un clapet équilibré ( voir figure 2 ), dans lequel un joint torique entoure la tige inférieure du clapet. Cette conception permet ainsi une meilleure répartition du contrôle du clapet par les pressions d'entrée et de sortie. Le joint torique empêche la pression d'entrée (FI )d'exercer une force sur la base du clapet (B2 ).Un orifice, qui traverse le clapet de haut en bas, permet à la pression de sortie (FO ), qui est beaucoup plus faible que la pression d'entrée, d'agir sur la base du clapet. La force qui en résulte est due à la pression d'entrée qui s'exerce sur la surface A2 - B2 .Avec de telles modifications de conception, les pressions d'entrée et de sortie exercent toutes deux une force verticale ascendante sur le clapet pour fermer celui-ci lorsque la pression du système est trop élevée.Lapres-sion d'entrée s'exerce sur la partie non équi-librée du clapet, tandis que celle de sortie s'exerce sur la base.

Revenons maintenant au scénario initial dans lequel la pression d'entrée diminue au fur et à mesure que la bouteille de gaz se vide. La force exercée par la pression d'entrée sur le clapet sera inférieure parce que la pression s'exerce sur une surface plus petite (A2 - B2 ). Avec la conception à clapet équilibré, la pression de sortie exerce une force suffisante pour fermer le clapet et limiter la pression, corrigeant ainsi l'augmentation de la pression en aval. La pression de sortie contre la force du ressort (F S )pousse à la fois la membrane et la base du clapet vers le haut. Un autre avantage des détendeurs à clapet équilibré est leur capacité à réduire le phénomène de lock-up ou perte de charge du siège. Il s'agit de la tendance du clapet à se fermer brusquement, lorsque le débit en aval devient nul. Un lock-up excessif n'est pas souhaitable, car cela peut causer un bref pic de pression à la sortie.

Pour les applications caractérisées par des débits plutôt faibles, il existe une autre méthode pour limiter le SPE: une réduction de la pression en deux étapes. Cette opération est réalisée en montant deux régulateurs à simple détente en série, ou en combinant les deux détendeurs dans un même assemblage. Une configuration à double détente gère alors les variations de la pression d'entrée en deux étapes: le premier détendeur contrôle la variation jusqu'à un certain point et le second détendeur amène la pression de sortie à un niveau très proche de la valeur souhaitée. Pour calculer la variation de la pression de sortie avec un régulateur à double détente, on multiplie la variation de la pression d'entrée par le SPE de chaque détendeur : P a Sortie = P Entrée x SPE 1 x SPE 2 . N'oublions pas que, lorsqu'une bouteille de gaz se vide et que la pression d'entrée diminue, celle de sortie augmente pour le premier détendeur. Cette augmentation se traduit par une diminution de la pression côté sortie du second détendeur. Comme le premier détendeur subit le plus gros du SPE, la diminution de pression relative après le second détendeur est toutefois minime.

Reprenons l'exemple d'une bouteille de gaz en train de se vider et supposons que chaque détendeur a un SPE de 1%. Avec une chute de pression de 118 bar, la pression à la sortie du premier détendeur augmentera de 1,18 bar (153-35) et celle à la sortie du second détendeur diminuera de 0,0118 bar (soit seulement 0,01% de la chute de pression initiale dans la bouteille). Dès que la pression dans la bouteille devient inférieure à la pression de réglage du premier détendeur, le SPE de ce dernier n'est plus à prendre en compte et seul le SPE du second détendeur est à considérer. En ce qui concerne le contrôle de l'effet de la pression d'alimentation, une configuration à double détente permet généralement d'obtenir de meilleurs résultats qu'un seul détendeur avec un clapet équilibré.

Dans une usine où une source unique de gaz alimente plusieurs dispositifs avec la même pression de sortie, les deux options sont envisageables. En revanche, si l'ap-plication requiert que la bouteille de gaz alimente plusieurs dispositifs, dont l'un au moins nécessite une pression différente, il faut alors utiliser une configuration à double détente. Dans ce cas, le premier détendeur est placé près de la source de gaz et un détendeur supplémentaire est installé sur chacune des lignes de process. Quel que soit le système, il faut bien faire attention à ne pas utiliser un régulateur à double détente au niveau de la source d'alimentation en gaz et un détendeur simple au point d'utilisation. Une telle configuration est excessive car elle revient à une triple détente. C'est une erreur courante !

D'autres méthodes encore pour gérer le SPE

Il est par ailleurs possible d'utiliser un détendeur à dôme unique pour contrôler le SPE ( voir figure 3 ). Cette solution est la plus pratique lorsque l'on a affaire à de gros cylindres avec des débits de gaz élevés. Un détendeur à dôme fonctionne pratiquement de la même manière qu'un détendeur à ressort, à ceci près que le ressort est remplacé par un dôme sous pression exerçant une force verticale descendante sur la membrane et le clapet. En plus du détendeur à dôme, cette configuration nécessite également un régulateur piloté et trois boucles. La première relie le régulateur piloté au dôme du détendeur, afin que ce dernier puisse effectuer des ajustements de la pression dans le dôme en fonction de la pression du système. La deuxième boucle permet d'évacuer la surpression régnant dans le dôme dans le fluide du système en aval. Et la troisième est une boucle de rétroalimentation externe; elle permet au régulateur piloté de mesurer précisément la pression du gaz en aval et d'ajuster rapidement la pression dans le dôme. Comme le système effectue des ajustements en fonction de la pression aval réelle, il permet de réduire le SPE de manière efficace. Dans le cas d'un détendeur à dôme commandé par un régulateur piloté, les effets de la pression d'alimentation des deux régulateurs s'ajoutent pour donner celui du système. La présence d'une boucle de rétroalimentation externe permet de surcroît de compenser les variations de la pression et de réduire encore davantage le SPE.

Parmi les autres possibilités de gérer le SPE, on trouve également le réglage manuel d'un détendeur en fonction des indications fournies par un manomètre mesurant la pression en aval. Cette méthode n'est toutefois pas des plus pratiques dans la plupart des situations. Si une bouteille de gaz alimente une application qui nécessite une alimentation continue, la pression de sortie varie en effet sans cesse. Cela signifie qu'une personne devra vérifier fréquemment le manomètre situé en aval, et le coût de la main-d'œuvre pourra largement dépasser le coût de la mise en place d'une des configurations décrites auparavant. Une des rares situations dans lesquelles des réglages manuels peuvent se justifier est celle d'un laboratoire oùlade-mande de gaz provenant de la bouteille est limitée à de courts intervalles et n'est pas continue. Lorsque l'alimentation en gaz est nécessaire, le technicien de laboratoire peut alors procéder à un ajustement occasionnel de la pression de réglage du détendeur.

Comme on vient de le voir, différentes méthodes existent pour réduire l'effet de la pression d'alimentation mais, quelle que soit la solution retenue, l'utilisateur doit toujours essayer de trouver un régulateur adapté à la plage de pressions que son système sera amené à réguler. En règle géné-rale, l'effet de la pression d'alimentation est plus important avec des régulateurs aux plages étendues qu'avec des modèles aux plages plus restreintes. D'où l'intérêt de choisir un régulateur dont la pression d'entrée et la plage de régulation sont aussi proches que possible des paramètres de l'application.