805 GA Vanne Regulation
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INST R U M E N T A T I O N
Vannes de rgulation
Il ny a gure de rgles prcises pour choisir une vanne de rgulation. Comme toujours, cest lapplication qui guide les choix technologiques. Deux fournisseurs peuvent toutefois proposer deux technologies diffrentes pour une mme dapplication. Cest aussi une question de culture. En France, par exemple, le parc de vannes rotatives est plus important que celui des vannes linaires. Aux Etats-Unis cest exactement le contraire. Chaque constructeur apporte des amliorations sa technologie, lui permettant dtre installe l o elle navait auparavant pas accs. Difficile donc de sy retrouver et davoir une vision globale de ce march. Pour tre sr de faire le bon choix, il vaut mieux rester pragmatique : connatre bien son process, faire le choix du corps de vanne, puis le servomoteur, puis le positionneur Il parat quon apprend vite
ans le monde des vannes, il faut avancer prudemment. Une vanne de rgulation comporte trois lments principaux : le corps de vanne qui assure le rglage du dbit ; le positionneur qui rgule louverture de la vanne en accord avec le signal de commande ; le servomoteur ou lactionneur qui assure la conversion du signal de comLessentiel mande en mouvement Pour choisir une vanne de de la vanne. Voil au rgulation, il faut dabord moins une chose acdfinir les caractristiques quise. Aprs, plus rien de son process : temprature, nest sr pression, pression diffrenVannes clapet, vannes tielle, nature du fluide papillon, mem Le choix du corps de vanne brane, boisseau sphdpendra aussi de la culture rique, vannes globes, de chaque fournisseur vannes lments sph Vannes droites ou vannes riques ou obturateur rotatives, les avis sont excentr, comment sy partags retrouver ? Lutilisateur Il en va de mme pour les ne sy retrouve pas vraipositionneurs analogiques ment , reconnat un ou numriques fabricant anonyme. Les positionneurs numriques Cest une question dhapar leur capacit bitude , nous dit un dauto-diagnostic simposent autre qui se veut plus lentement mais srement rassurant.
La norme internationale IEC 60534 sur les vannes de rgulation des process industriels propose, entre autres, une terminologie pour dfinir tous les noms des vannes, tous les accessoires, tous les paramtres. Personne ne la suit vraiment, chacun restant avec son propre vocabulaire. Lune des raisons sexplique par le fait que chaque constructeur dtient son propre savoir-faire, a dvelopp ses propres technologies avec une multitude de petites subtilits. Il utilise donc des termes bien lui et il ne veut surtout pas en changer pour montrer sa diffrence.
Donc, dans le monde des vannes, on nest jamais vraiment certain de parler de la mme chose. Et, lorsque lon est peu prs daccord sur le vocabulaire, il parat bien dlicat de prtendre quune vanne rotative boisseau sphrique est meilleure quune vanne linaire cage. Il semble tout aussi hasardeux daffirmer quil faut prfrer un actionneur pneumatique simple effet ou double effet. Cela dpend de la culture de chacun. Ainsi, certains constructeurs affirment avec la plus grande conviction que les vannes rotatives sont la meilleure solution technico-conomique pour les fortes pressions. Dautres, au contraire, assureront, tout aussi srs deuxmmes, que ce sont les vannes droites. La vrit est, sans doute, un peu partout. Chaque fabricant a amlior ses produits en fonction de sa propre culture et de sa stratgie marketing : il y a les constructeurs vannes droites et les constructeurs vannes rotatives. Il y a ceux qui sont actionneurs analogiques, et ceux qui sont actionneurs numriques Le prix nest pas un indicateur plus fiable. Ainsi, pour la mme application un fournis-
Vannes linaires
Louverture/fermeture de la vanne se fait par un mouvement linaire de la tige de bas en haut et de haut en bas
Avantages
Meilleure rangeabilit Meilleure Cv Emissions fugitives minimises (tanchit au presse-
Avantages
Une vanne globe (vanne droite) est davantage
toupe) Bonne rsistance aux vibrations Faible poids Intgration simple dans la tuyauterie
prconise pour les cas difficiles (forte temprature, forte pression, grande diffrence de pression) Pour des hautes pressions (le clapet quilibr rduit fortement la puissance et la taille de lactionneur) Moins de phnomne de cavitation
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pour le process
Masoneilan
Corps de vanne, servomoteur, positionneur sont les trois lments principaux dune vanne de rgulation.
seur vous vendra une vanne rotative plus chre quune vanne linaire. Cest une question de stratgie marketing, de volume de production. Cela dpend aussi de lusine la plus proche, reconnat un fournisseur. Si elle produit des vannes linaires, les commerciaux locaux favoriseront davantage cette technologie. Nous voil donc bien avancs. Si javais rsumer la situation, le choix dune vanne dpend toujours des conditions. Sur de leau, 10 bar et 20 C, on peut mettre nimporte quel type de vanne, prcise Jean-Luc Drezet, directeur des ventes de Metso Automation. Aprs cest au cas par cas. Sur de la vapeur 350 C avec une forte perte de charge, on doit dj liminer les vannes segments sphriques ou obturateur excentr Sur des applications trs difficiles haute temprature et haute pression, on vous orientera davantage vers une vanne linaire cage.
Ceci dtermine ou limine dj certains types de vannes qui, suivant le diamtre, nont pas lactionneur adquat. Certaines vannes (comme les vannes cage, par exemple) sont plus tudies au fonctionnement avec de fortes P. Ensuite, il faut vrifier le produit contrler : liquide, gaz, vapeur, charg ou non, et les conditions en pression et en temprature Tous ces facteurs doivent tre videmment connus. Autre paramtre important : le Cv. Il sagit du repre de grandeur au moyen duquel le technicien peut dterminer la dimension dune restriction lintrieur de la vanne, connaissant les conditions de dbit et de pression et ceci pour nimporte quel fluide (le Cv est proportionnel la section de passage entre le sige et le clapet).
Par ailleurs, dautres critres dutilisation, comme ltanchit, la prcision du positionnement, la rangeabilit font que certaines vannes seront plus ou moins adaptes aux besoins Ce nest pas fini. Il convient ensuite de se poser la question sur la qualit de la rgulation. Quelle est la performance de la vanne recherche pour assurer la meilleure rgulation possible ? Cela dpend de ce quelle fait. Dans les applications valeur de consigne statique par exemple, la principale fonction de la boucle de rgulation est de compenser les perturbations de charge du process. Ce nest pas trop compliqu et il nest peut-tre pas la peine dinvestir dans la Rolls des vannes. En revanche, sil y a besoin dune trs fine rgulation sur un
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Guide dachat
produit haute valeur ajoute, mieux vaut sassurer de la performance de la vanne. Celle-ci se teste gnralement dans les bancs dessai du fabricant par la mesure du dplacement en rponse aux modifications de signal dentre. Elle se caractrise par de nombreux facteurs, comme la bande morte, le broutement, la vitesse de rponse, lhystrsis, la linarit droite est ne il y a environ 130 ans aux Etats-Unis chez Fisher (actuellement Emerson Process Management Fisher) qui est reste aujourdhui encore le numro 1 mondial de la vanne droite. Les vannes rotatives segment sphrique (une portion de sphre tourne pour rguler louverture) ou les vannes papillon (principe voisin du robinet) ne sont gure moins anciennes. Mais dans les annes 60, le Franais Masoneilan marque un pas important en dveloppant la premire vanne rotative obturateur excentr. Lobturateur qui nest plus dans laxe de rotation cr un couple beaucoup plus important, explique Stphane Leledy, responsable marketing chez Masoneilan. Ceci a permis de travailler sur des dbits plus forts. Surtout, lobturateur excentr offre une finesse de rgulation beaucoup plus grande, meilleure que 1 %. Aujourdhui, pour les dfenseurs de la vanne rotative, celle-ci a pratiquement tous les avantages : plus facile installer, un meilleur Cv, une plus grande rangeabilit, une meilleure tanchit au presse-toupe. Une vanne rotative peut rpondre pratiquement toutes les applications, estime Jean-Luc Drezet (Metso Automation). Les vannes linaires prennent
Bermad
Linaires ou rotatives
Ayant ainsi une bonne ide du besoin, le premier lment considrer est le corps de vanne. Puisque cest lui qui est en contact avec le process, cest lui qui reoit et subit toutes ses influences. Cest aussi lui qui gnre les frictions, les jeux mcaniques. Cest l o les risques de fuites, voire de rupture, sont les plus importants. Il existe - et sur ce point, les diffrents acteurs sont daccord - deux grandes familles de vannes : les vannes droites (dites aussi vannes globes ou vannes linaires) et les vannes rotatives. Pour une vanne droite, louverture/fermeture se fait par un mouvement linaire dune tige de bas en haut.
Des corps de vanne entortills, pour dtendre le fluide afin de minimiser la cavitation et le bruit.
Pour une vanne rotative, louverture se fait par un mouvement rotatif du clapet de 0 90 . Aujourdhui, pratiquement tous les fournisseurs proposent les deux gammes de vannes rotatives et linaires. Au niveau mondial, les vannes rotatives reprsentent environ 30 % du march de vannes. Elles sont en quelque sorte lquilibre avec les vannes linaires au niveau europen. Pour le march franais, la tendance est inverse ; avec plus de 70 % environ pour les vannes rotatives. Les raisons sont essentiellement historiques. La vanne
Vannes linaires (dites aussi vannes globes ou vannes droites) Type de vannes
A simple sige (dit aussi vannes
Applications observations
Pour fluides visqueux, fibreux,
Applications - observations
Bonne tanchit la fermeture - la pousse
pteux, qui se figent La demi-sphre sectionne les fibres la fermeture et garantit ltanchit
Forts dbits Bonne finesse de rgulation Applications sur huiles, gaz
clapet)
du liquide exerce une force importante sur le clapet, ce qui ncessite un actionneur puissant Frottements importants au niveau du presse-toupe Risque de bouchage par des particules en suspension
Le principal avantage apport au corps de vanne
A double sige
Constitu par deux clapets et par deux siges visss assez peu dvelopp en Europe
simple sige concerne son quilibrage, cest--dire la diminution de la force rsultante due la pousse du fluide sur le clapet donc utilisable pour des fortes diffrences de pression Relativement cher (lments mcaniques doubls)
papillon bien que ce terme soit plus usuellement employ pour les vannes Tout-Ou-Rien)
forts dbits
Plus tudies au fonctionnement avec de fortes P Comprend un obturateur et une cage. Pour applications trs difficiles hautes tempratures Le fluide arrive perpendiculairement et hautes pressions la cage et passe par un espace dtermin par la position de lobturateur (sorte de piston) lintrieur de la cage. En position basse, les trous situs la partie infrieure de la cage sont obturs et ralisent ainsi ltanchit de la vanne la fermeture A cage A membrane Elle est utilise dans le cas de fluides trs chargs La section de passage est obtenue entre de particules solides, ou trs corrosifs une membrane dformable en Solution peu coteuse caoutchouc synthtique gnralement Supprime les presse toupes, do le risque de fuites et la partie infrieure du corps de vanne ventuelles. Bonne tanchit la fermeture Prcision de rglage mdiocre Caractristique statique mal dfinie
boisseau sphrique bien que ce terme soit plus usuellement employ pour les vannes Tout-Ou-Rien)
fort phnomne de cavitation. Le fluide suit le corps de la vanne (le chemin permet une meilleure dtente du fluide)
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Qui fait quoi ?
Fournisseurs Simple sige ou clapet
Bermad Brkert Contromatic Emerson Process Management Flowserve KSB AMRI Masoneilan Metso Automation Gem Samson Tyco Valves and Controls
En option
La liste des fournisseurs de vannes est trs longue. Il existe dans ce domaine un grand nombre dacteurs, parfois spcialiss sur tel ou tel type de vannes, parfois prsents sur un seul secteur dapplications ou mme localiss sur une seule rgion gographique. Ils peuvent tre issus du domaine de la robinetterie, des quipements industriels ou encore du domaine de linstrumentation ou du contrle de process. Ne pouvant, dans notre guide dachat, recenser tout le monde, nous nous sommes concentrs sur les acteurs les plus gnralistes, prsents dans les processus industriels classiques.
lavantage seulement pour les fortes pressions. En effet, fortes pressions, le clapet quilibr de la vanne linaire permet de rduire la taille et la puissance de lactionneur. Ds que lon est au-dessus de 100 bar, avec des risques de cavitation (implosions de bulles de gaz dans les milieux liquides) ou de bruit (dans les milieux gazeux), nous proposons les vannes linaires , confirme Stphane Leledy (Masoneilan). Dune manire gnrale, une vanne linaire est prconise pour les cas difficiles : forte temprature, forte pression, grande diffrence de pression. Pour le pionnier de la vanne droite, celle-ci est toujours plus performante que la vanne rotative. Christophe
Levque, responsable produits vannes chez Emerson Process Management (Fisher) avance deux principaux arguments. Le premier argument est mcanique : Une vanne droite, par sa construction, induit beaucoup moins de jeux mcaniques et de frictions. La vanne suse moins, se drgle moins . Lautre argument est li la caractristique intrinsque de dbit. On distingue essentiellement deux types : la loi intrinsque linaire (le dbit volue linairement en fonction du signal. Des accroissements gaux du signal vanne provoquent des accroissements gaux de dbit. La caractristique est donc une droite.) et la loi gale pourcentage (la caractristique est
Maudite cavitation
Sur les liquides, lorsque la pression statique dans la veine fluide dcrot, un phnomne de cavitation apparat (formation de petites bulles de vapeur au sein du fluide). Quand la pression statique saccrot nouveau (diminution de la vitesse par largissement de la veine fluide), les bulles de vapeur se condensent et implosent. Ce phnomne de cavitation prsente quelques inconvnients : - Bruit dun niveau sonore inacceptable trs caractristique car semblable celui que provoqueraient des cailloux circulant dans la tuyauterie ; - Des vibrations des frquences leves ayant pour effet de desserrer toute la boulonnerie de la vanne et de ses accessoires ; - Une destruction du clapet, du sige, du corps, par enlvement de particules mtalliques ; - Le dbit traversant la vanne nest plus proportionnel la commande. Pour viter tous ses dboires, les constructeurs ont dvelopp des dispositifs antibruit.
une exponentielle. Des accroissements gaux du signal vanne provoquent des accroissements gaux de dbits relatifs). Gnralement, une vanne rotative suit une loi intrinsque linaire et une vanne linaire une loi gale pourcentage. Le process lui-mme nest pas linaire, explique Christophe Levque (Emerson Process Management Fisher). Il faut donc, avec une vanne rotative, au niveau de la rgulation faire varier le gain en fonction des caractristiques diffrentes de dbit de la vanne et du process. Une vanne linaire permet de minimiser les erreurs au niveau du gain. Autre avantage encore, une vanne linaire est beaucoup moins sensible au phnomne de cavitation ou de bruit. En revanche, une vanne linaire aura tendance rcuprer les particules solides dans son guide. Elle est donc plus sensible aux bouchages, lencrassement Mais, l encore, tous ses avantages et inconvnients ont pu tre pallis par des dveloppements spcifiques chaque constructeur. Il est donc impossible de fixer des rgles prcises.
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Guide dachat
le clapet. Le second : assurer ltanchit de la vanne. Dans la grande majorit des applications, on utilise un servomoteur pneumatique simple effet : de lair est envoy, par une seule entre, sur le ressort de manire maintenir lquilibre souhait. Pour des fortes pressions et afin de limiter la taille du servomoteur, on en choisit un double effet. Dans ce cas-l, lair est envoy par deux cts simultanment pour doubler la raction mcanique du ressort. Ceux-ci sont trs peu utiliss en Europe, souligne Stphane Leledy (Masoneilan). Il ny a pas de vritable raison technique. Il sagit plutt dune question dhabitude. Un article publi par un ingnieur de chez Metso Automation relve cependant que les actionneurs double effet ont tendance se montrer plus raides et par consquent moins affects par le facteur de charge (cest--dire le couple ou la force ncessaire lactionneur rapport son couple ou sa force de sortie) que ceux simple effet. Un servomoteur double effet gnre dans certains cas une hystrsis plus importante , prcise toutefois Christophe Levque (Emerson Process Management Fisher).
Metso Automation
Les positionneurs numriques offrent aux vannes toutes les possibilits de communication, de configuration, de rglage distance... et aussi la surveillance continue des vannes, pour une maintenance prdictive.
totalement disparu. Cest faux. L encore, suivant lhistoire du fabricant, certains proposent prfrentiellement les positionneurs analogiques. Parmi ceux-ci, on distingue les positionneurs pneumatiques, aliments par de lair et les positionneurs lectropneumatiques aliments par un signal lectrique, le plus souvent en 4-20 mA. Les premiers ne reprsentent plus quun pourcentage du march mais ils ont encore leurs adeptes, ceux qui ne veulent pas ajouter la facture le cot dun cblage lectrique. Ceux aussi qui ont des applications sur des sites trs isols choisiront un positionneur pneumatique pour ne pas avoir tirer des fils. Les positionneurs lectropneumatiques quant eux reprsentent encore la part la plus importante du march. Ils intressent tous ceux qui nont pas encore pris le virage du numrique, pour des questions conomiques, de confiance, de comptences. Sans composants lectroniques, les risques de pannes sont moins importants, reconnat Stphane Leledy (Masoneilan). Avec des positionneurs analogiques, les industriels recherchent la fiabilit . Par ailleurs, beaucoup nont ni le temps ni les
ressources humaines ncessaires pour mettre profit les informations apportes par les positionneurs numriques.
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Aperu de loffre
Fournisseur Nom de la srie
Bermad 700/800
Type de vannes
Vanne linaire simple sige ou clapet Vanne linaire sige inclin Vanne linaire simple sige
Pression de service
Jusqu 40 bar
Observations Particularits
Vannes automotrices pilotes
Applications
Adduction deau potable, protection incendie, industrie ptrolire, process industriels Particulirement pour la vapeur, grande modularit pour le montage des accessoires Agroalimentaire CIP/SIP et process auxiliaire avec vapeur, eau froide et glycol, machine pour le textile et teinture, changeur chaud et autoclave, strilisateur et laveuse, appareil de distillation Gnie hydraulique, traitement des eaux uses, ingnierie des effluents, industrie de la mcanique gnrale Application gnrale, vapeur, air, eau possibilit de cage antibruit Air, eau, pte papier, fluide visqueux ou charg, possibilit de dispositif antibruit et anticavitation Air, eau, vapeur, forte perte de charge, possibilit de dispositif antibruit et anticavitation Toute application process
Brkert
Type 2702
Jusqu 16 bar
Jusqu 180 C
DN 13 65
Dbit lev, longue dure de vie, conception compacte, anticoup de blier Sige interchangeable 3 5 valeurs de Cv par raccordement
Type 2712
Jusqu 16 bar
Jusqu 180 C
DN 04 100
Type 2731
Vanne linaire membrane en Inox Vanne linaire simple sige Vanne rotative boisseau sphrique Vanne linaire cage Vanne rotative obturateur excentr Vanne linaire membrane Vanne rotative papillon Vanne rotative boisseau sphrique Vanne rotative obturateur excentr
Jusqu 10 bar
Jusqu 130 C
DN 15 100
Corps universel, membrane de sparation, sans volume mort Corps acier, inox, hastelloy, matriaux exotiques sur demande Rangeabilit 1:300, corps acier, inox, possibilit de Cv important, entre-face normalise et standard aux vannes rotatives Corps acier, inox, matriaux exotiques Arbre non-traversant, rangeabilit pouvant atteindre 160:1, systme antijection intgral
Modle GX
Jusqu 50 bar
Jusqu 371 C
DN 15 DN 150 DN 25 DN 400
Modle VeeBall
Jusqu 50 bar
Jusqu 427 C
Jusqu 593 C
DN 15 DN 600 DN 25 200
Jusqu 40 bar
Jusqu 400 C
Gem
Srie 600
De 0 10 bar
De -10 180 C
DN 4 DN 300 Membrane en mtal, passage direct (2/2 voies), vanne en T, vanne de fond de cuve DN 15 DN 2 000 DN 6 DN 100 Construction compacte en plastique et mtal Hautes tempratures et pression valeurs Cv faibles, faibles frquences de manuvre Etanchit classe VI, arbre cannel pour un meilleur accouplement, presse-toupe faible mission fugitive, positionneur directement mont en bout darbre Conception quilibre pour actionneurs petits, clapets pilotes, dispositifs antibruit ou anticavitations un ou plusieurs tages de dtente, dispositif VRT coulement axial tortueux Dispositifs anticavitations multitags coulement axial et tortueux, guidage par cage, petit actionneur, protection du clapet louverture Peut remplacer 2 vannes linaires, longue dure de vie - matriaux CF8M - WCC, scurit feu, tanchit classe IV (V)
Produits ultra-purs jusqu trs chargs, liquides ou gazeux Pour fluides propres, liquides et gaz neutres ou agressifs Pour fluides propres, liquides et gaz neutres ou agressifs, vapeurs Choix des matriaux et options pour toute application, fluide corrosif ou rosif, service cryognique, enveloppe de rchauffe Choix des matriaux, plusieurs types de segment dtanchit, application avec fortes pressions diffrentielles, trs hautes et trs basses tempratures Pour application trs difficile fortes pressions diffrentielles, choix des matriaux, y compris exotiques, choix des raccordements (brides, souder) Toute application process (exemple : contrle de chaudires fuel ou gaz)
Srie 400
Jusqu 50 bar
De -20 600 C
Srie 700
Jusqu 63 bar
De -20 600 C
Masoneilan
Srie 41005
Vanne linaire multi-tage coulement axial et tortueux Vanne rotative segment sphrique
De -29 316 C
DN 25 300
Metso Automation
Srie R
20 50 bar (PN)
De -40 250 C
DN 25 50
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Guide dachat
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Guide dachat
Aperu de loffre (suite)
Fournisseur Nom de la srie
Metso Automation Finetrol
Type de vannes
Vanne rotative obturateur excentr Vanne rotative disque excentr
Pression de service
20 100 bar (PN) 20 100 bar (PN) PN 10 400
Observations Particularits
Etanchit classe IV, pas de fuite au presse-toupe pendant 4 ans Construction triple excentre, sige flexible indpendant de la pression Vannes pneumatiques, lectriques passage droit, 3 voies et passage querre Conception mtallique, dispositif antibruit Dispositif antimission fugitive, double enveloppe
Applications
Toute application process (exemple : ultra low sulphur gasoline) Toute application process
Neldisc
-196 400 C
DN 75 2 000
Samson
Srie 240, 250, 280 Vanessa Descote Vannes rotatives Vannes linaires
Rgulation et commande des procds Application gaz, ptrole, chimie, offshore Application gaz, ptrole, chimie, offshore, application dangereuse (chlore, HF)
Offre non-exhaustive
Christophe Levque (Emerson Process Management Fisher). Pour les positionneurs numriques, il y a beaucoup moins de pices mcaniques et des composants lectroniques permettant de compenser les drives. Capteur de position effet Hall sans contact, algorithme numrique volu, contrle du dbit dair dans le positionneur, de gnration en gnration, le positionneur numrique progresse en performance et fiabilit. Lautre apport du numrique est, comme on dit, lintelligence. Un positionneur de vanne est dit intelli-
gent lorsquil communique sur des bus de terrain mais aussi, plus communment, via le protocole Hart. Il est facile, en termes dinstallation, de passer dun positionneur lectropneumatique sur 4-20 mA un positionneur numrique 4-20 mA (Hart) , prcise Stphane Leledy (Masoneilan). Cette communication ouvre ainsi les portes des autorglages, auto-talonnages, autovrifications, autodiagnostics : le grand leitmotiv des fournisseurs. En cas de panne dun de ses composants, le positionneur indique lui-
mme quel est son composant dfectueux. Suivi statistique des paramtres, test avec visualisation graphique de ses performances statiques ou dynamiques (exemple : hystrsis, temps de rponse, tests de signature), les fournisseurs sont intarissables sur le sujet.
Les servomoteurs
Servomoteur pneumatique (la mise en mouvement de la vanne est assure par
un circuit dair) Simple ressort de rappel Simple effet : lair est envoy, par une seule entre, sur le ressort de manire maintenir lquilibre souhait Double effet : deux arrives dair sur le ressort doublent la force exerce sur le ressort, limitant ainsi la taille de lactionneur Multiressort de rappel Plusieurs ressorts peuvent remplacer un seul. Gain de compacit. Pour les fortes pressions A membrane classique : la section nest pas constante
A membrane droulante : la section est constante - garantie dune rgulation plus
Servomoteur lectrique (la mise en mouvement de la vanne est assure par une
force lectrique)
Le servomoteur ou actionneur est llment qui assure la conversion du signal de commande en mouvement de la vanne. Le servomoteur pneumatique est, de loin, le plus utilis.
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