Vanne à sphère, Courbe angulaire de Débit et Actionneur
1 Pourquoi cet articlvanne5e
2 Les conditions de mesures série
2.1 Essai direct
2.2 Essais avec robinet "étrangleur"
3 Régulation parallèle
4 Le rapporteur
5 L'actionneur et le débitmètre
6 Conclusions

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Quelques mesures…et  quelques possibilités…

Je n'ai pas pu trouver réellement des courbes de delta de pression sur une petite vanne à sphère "banalus". Encore que j'en eu trouvé, j'aurais eu un peu de mal à les utiliser sans calculs un peu lourds.
Je ne dispose pas de manomètre différentiel ou de précision permettant de mesurer ces valeurs. Ma seule possibilité est d'utiliser de vieux compteurs d'eau, un chronomètre et de mesurer des débits.
Alors pas d'autres solutions que de faire ses propres expériences et mesures. Vous verrez que les résultats ne sont pas du tout mauvais avec finalement très peu de moyens.

1 Pourquoi cet article

Cet article s'insère avant d'autres, et fait partie d'un grand thème qui sera la future régulation de mon panneau solaire. Ces éléments participent en préalable à ce que je pourrai réellement réaliser et conditionne donc directement la réalisation et la programmation d'un PIC 16F876 qui sera utilisé pour cette régulation.

Je devrais pouvoir moduler légèrement le débit du circuit primaire du panneau solaire, mais auparavant il faut faire un actionneur de vanne et vérifier que mécaniquement l'actionneur pourra cadrer avec les valeurs de débit du circuit primaire.
Il faut donc avant tout, voir si une vanne standard à sphère (On dit aussi à boule) pourra faire l'affaire. C'est le but premier de cet essai et de ces mesures.

2 Les conditions de mesures série

Il faut pour mvanne3esurer :

Un compteur d'eau, du tuyau d'arrosage, la vanne à caractériser suivant vos propres besoins, un rapporteur angulaire de précision (à fabriquer, voir ci-après), une pompe immergée (dans un seau), un chronomètre et quelques "babioles".

La photo de tête d'article  indique clairement le "bricolo" utilisé. Le principe en est sur l'image ci-contre. Le principe répond surtout parfaitement à ce que je voulais savoir et vraisemblablement à mon futur projet ?

Pour plus de précision, une aiguille (partie pointue blanche ou verte suivant les essais) est fixée sur la manette de vanne, et pointe au plus près d'un rapporteur papier, passé autour de l'axe de la vanne. Ce petit "bricolo" est essentiel pour faire un relevé angulaire un tant soit peu précis.

Pour le reste, il faut un compteur d'eau affichant au moins le dixième de litre. J'ai utilisé pour cela de vieux "Socam" rebutés de 1988.

Il faut bien entendu faire une chasse à grande vitesse (vanne ouverte en plein) pour éliminer toute trace d'air dans le circuit, et pour le reste ça se débrouille tout seul à condition que la pompe immergée soit bien immergée, car il en va de sa vie…

Pour un montage de table il n'y avait que peu de fuites et une éponge et un petit pot à confiture sont venus à bout des quelques gouttes qui n'ont pas voulu suivre le droit chemin !
Certains tuyaux ont seulement été "enfilés" à force, car la pression de ces petites pompes n'est pas très élevée et ne va pas au delà de 8 à 12 mètres de HMT.

Pour la véracité des débits, le compteur a été placé horizontalement sur un support à serrage, et le rapporteur posé sur un petit billot de bois avec un poids l'empêchant de bouger (de tourner).

Ce montage "en l'air" est un peu comme le trépied des géomètres. Une fois en place, il ne faut surtout plus rien bouger sous peine de devoir tout refaire…

Vous pouvez disposer du fichier EXCEL si vous le souhaitez, vous pourrez ainsi voir les valeurs précises (VANNE.XLS).

Deux essais seront réalisés avec ce montage. Un essai direct sans réduction du débit de la pompe (Ce débit est "ce qu'il est" et je ne le maîtrise pas). Le deuxième essai est réalisé avec une vanne complémentaire d'étranglement.
Voici les courbes de ces deux essais des § 2.1 et § 2.2.

2.1 Essai direvanne7ct

Attention pour la compréhension des courbes il y a deux échelles Y mais seulement 2 courbes. (Une dilatée et une normale)

Essai direct courbes bleue et verte suivant 2 échelles.
C'est l'essai de base qui permet de voir le comportement de la vanne en fonction du débit maxi possible de la pompe associé à un circuit simple de tuyau d'arrosage (Sans étranglement).
La courbe est superbe et un ou deux points mal mesurés ont seulement été légèrement déplacés pour "l'allure" générale de la courbe.

On constate que la vanne depuis sa butée mécanique (fermée), ne s'ouvre qu'à partir de 12° angulaires. Ceci s'explique par la sécurité nécessaire à sa fermeture, et aussi par les tolérances de la manette de commande en tôle emboutie en contact sur les butées brutes de matriçage.

La montée de la courbe s'accélère un peu au gré de l'ouverture, puis passe par un point d'inflexion vers 45° pour plafonner à 92° au débit maximum du circuit utilisé, soit environ 1000 L/H.

Ce débit maximum et asymptotique, dépend essentiellement du CIRCUIT utilisé et de la pompe.

Il est possible de représenter ce débit sans étrangleur sur une échelle plus réduite (courbe verte) qui représente la même courbe, mais seulement sur des débits allant jusqu'à 150 L/H. Dans ce cas, on constate que l'on peut faire varier le débit presque linéairement en fonction de l'angle d'ouverture de la vanne.
Cependant, la régulation éventuelle devra seulement faire varier l'angle d'environ 10° pour la plage de débit de 0 à 150 L/H.
Ceci reste difficile à réaliser sur une variation angulaire si petite, mais l'actionneur devrait le permettre, de part sa précision avec un jeu de l'ordre de 1°.

Cela explique aussi qu'il existe des robinets "pointeau" de réglage. Mais tous ces équipements ne sont pas à la portée (financière) des amateurs, surtout si il faut adjoindre un actionneur électrique, alors il faut se débrouiller et c'est cela qui fait tout le plaisir des bricoleurs industrieux : Faire tout avec rien !

RAPPEL : Courbe bleu (non étranglée) échelle des "débits A" (0 à 1000L/H). Même mesure mais sur une échelle plus courte allant jusqu' à 150 L/, courbe Verte sur échelle des "débits B" (0 à 150L/H)

2.2 Essais avec robinet "étrangleur"

Courbes magenta et rouge suivant 2 échelles.
Cet essai avec robinet "étrangleur" devrait correspondre au débit maxi recommandé (+ sécurité) pour le panneau solaire (Pratiquement la situation réelle). J'ai donc limité volontairement vers 120 L/H par une vanne en sortie de pompe (petite vanne plastique d'arrosage) et refait le même relevé de mesures.

C'est la courbe "magenta" sur l'échelle des débits B.
La courbe "rouge" représente la même courbe sur l'échelle des débits A, où là, on remarquera que la perte principale de charge est bien donnée par le robinet étrangleur, et que l'on ne dépassera jamais ce débit (ça parait tout à fait normal !)

Cette courbe sera celle utilisable dans la future régulation, mais le chalenge est serré, car aujourd'hui j'ai un débit nominal primaire solaire de 84 L/H, et qu'il faudra pouvoir le réduire (Et le mesurer automatiquement si possible !) pour descendre jusqu'à une vingtaine de litres /heure. C'est l'étendue de valeurs utiles au projet.
La variation angulaire est de seulement une dizaine de degrés, mais pratiquement linéaire de 10 à 90 Litres/h.
Ceci veut dire qu'au pire, si la rotation angulaire de l'actionneur est linéaire aussi, le temps "moteur" pourra être utilisé comme référence de débit !
Cela permettra, si la mesure de débit avec un débitmètre électromagnétique n'abouti pas, de travailler en aveugle et de considérer que le débit sera …une échelle de temps de commande du moteur de l'actionneur !
(On notera tout de même un "offset" de vanne de 10°, ne produisant aucune action mais assurant la fermeture étanche qui n'aura que peu d'utilité dans le projet solaire).

On assimilera dans ce cas la courbe à une droite y=ax+b

NOTA : La variation de débit ou plus précisément sa réduction, permettra de ne pas arrêter systématiquement la pompe lors de passages nuageux ou l'ors d'un démarrage matinal, car le seul but à atteindre alors est de ne pas consommer d'énergie en attendant une période de meilleure énergie (la condition d'arrêt de la pompe ne sera plus alors que le retournement énergétique sur l'échangeur minoré de la puissance des auxiliaires).

3 Régulation parallèlvanne11e

Mais au fait..., c'est une régulation série du débit que l'on vient de voir...

Et si la vanne était placée en // sur la pompe ? Cette fois on aurait une régulation // et l'ouverture  complète de la vanne en // sur la pompe donnerait le débit minimum dans le circuit panneau échangeur. Il ne serait alors pas possible de réduire ce débit à 0, mais ce ne serait pas un réel problème, car l'arrêt électrique de la pompe peut le faire !

Un rapport 10 en débit serait largement suffisant pour réguler de 120 L/H jusqu'à 12 L/H.
Cette fois il s'agit de vérifier la faisabilité du procédé, car la variation angulaire devrait être beaucoup plus importante et je dirais même sur la presque totalité des 90° angulaivanne12res.

Passons aux essais, mais cette fois il faudra 2 compteurs pour mesurer les débits dans chacune des branches. Avec comme postulat que la somme des débits qui arrivent à un "noeud" est égale à la somme des débits qui en repartent.

On ne peut pas dire que de 120L/H on peut aller jusqu'à 12L/H. Pourquoi ? L'affaire n'est pas très compliquée, car le circuit parallèle a encore trop de pertes de charge, et la règle des noeuds s'applique, maintenant une pression trop élevée et donnant encore trop de débit dans le circuit "panneau" .
Cependant on a effectivement gagné en degrés angulaires de variation, mais ce n'est pas suffisant.

Dans ce contexte spécifique, il parait délicat de pouvoir diminuer fortement les pertes de charge du circuit shunt. C'est peut être possible mais avec le débit de 120 L/H et une petite pompe, ce n'est pas gagné d'avance. De toutes façons le circuit de la vanne // devra être au plus proche de la pompe avec des conduites de bonne section pour dériver un maximum du débit de la pompe.

Enfin, la courbe de décroissance du débit du circuit panneau, n'est pas vraiment linéaire et cela reste aussi un problème gênant. Bien entendu, on peut tout de même tirer une droite, mais c'est un peu "énorme" et pas trop professionnel.

Cette régulation // (dans ce contexte précis) n'est donc pas mieux adaptée que la régulation série. Je crois qu'il ne faut pas se précipiter et réfléchir avant de choisir une solution ou l'autre, et surtout de reprendre les conditions de la nécessité  de modification du débit primaire, pour vérifier l'adéquation d'une solution ou de l'autre.

4 Le rapportVanne8eur

C'est "l'outil" utilisé pour mesurer les angles de la vanne. J'ai été obligé de le tracer sur un format A4 sous forme d'un cadran de 90°.
Je l'ai fait sur "Turbocad", car il doit être précis, car il y aura bien d'autres possibilités de faire des erreurs…
En voici une copie sous forme d'image que vous pourrez reprendre directement. (Le début est gradué par 2 ° pour la précision).

Une fois le papier du rapporteur tiré à l'imprimante, il faut le coller sur un "bristol" carton ou plastique, permettant de laisser bouger la commande de vanne. Il faudra ensuite réaliser le trou correspondant à l'axe de vanne (et démonter la manette de commande pour cela).

5 L'actionneuvanne9r et le débitmètre

Je ne pensais pas en dire un mot dans cet article, mais finalement c'est le préalable (ou la suite) logique. En effet c'est l'actionneur qui va commander la vanne dont on vient de parler.

Je l'ai réalisé en réalité avant l'essai de débit, car la mécanique me prend beaucoup de temps car je ne suis pas bien équipé pour faire du travail de précision.
Alors je me contente souvent "du mieux possible".
J'ai donc réalisé un actionneur avec un réducteur final de 1/20 assez musclé auquel est adjoint en commande un petit moteur de tourne broche (comme pour le pluviomètre "Nouvelle version").
(Avant de lancer les mesures, je voulais être sûr de pouvoir réaliser l'actionneur).
Le réducteur final Crouzet équipait certaines machines informatiques anciennes et est de récupération. Il était à l'origine équipé d'un moteur asynchrone à un seul sens de rotation, qui a dû être sacrifié.

Un carré d'entraînement avec un petit caoutchouc en guisevanne4 de "Flector"fait l'affaire.
Deux switchs fin de course avec diode permettent l'arrêt et le redémarrage dans l'autres sens.
Les moteurs de tourne broche à piles valent 4 € en grande surface, et ils sont suffisants pour attaquer le réducteur plus musclé de rapport 1/20 (train d'engrenages concentriques).
Je pense qu'il est même possible de remplacer les petits moteurs 1.5 V par des moteurs 12 V pour quelques euros seulement. (Les moteurs 1.5 V ne sont pas très adaptés aux alimentations par le secteur).
Cela évitera de bobiner des transfos spéciaux et évite aussi une vitesse trop réduite au départ en butée (par diode en série).

L'actionneur permet donc la précision demandée puisqu'il réalise une rotation angulaire de 90° en 44.25 secondes sens AV et 46.85 secondes pour le sens AR.
Je ne l'ai pas fais exprès, mais je dois dire en moyennant les vitesses (45 secondes) qu'il faudra donc 0.5 seconde par degré angulaire actionneur. (Sous une tension de 2.45V) Le hasard fait parfois bien les choses…

Ce temps de commande est parfaitement réalisable avec l'aide d'un PIC. Les temps de mise en vitesse ne seront pas comptés, mais un facteur de correction sera calculé, et on pourra établir une commande par unité incompressible d'une DEMI seconde pour maintenir la correction de vitesse de démarrage et d'arrêt.
Éventuellement un retour à 0 pourra également être envisagé pour aller jusqu'au point de fonctionnement souhaité, ainsi les mises en vitesse et arrêt deviennent négligeables face au temps total.

Ce ne sera donc pas un asservissement, puisqu'il est possible faire plus simple et de plus je ne suis pas certain d'aboutir avec le débitmètre. Je vais tout de même essayevanne10r pour voir si Faraday ne s'est pas trompé…On ne sait jamais !

Dernières nouvelles du débitmètre, je n'ai pas réussi comme je le pressentais, mais je ne désespère pas qu'un lecteur ait déjà fait quelques essais et me fasse part des solutions qu'il a retenu.
Je cherchais seulement une variation et non une quantification mais rien !
Mon premier essai était à 50 Hz et ce n'est pas recommandé, mais je n'ai pu observer aucune variation.
En courant continu ce fut à peu près pareil, (mais je n'ai cependant pas amplifié les signaux qui doivent être faibles, et de l'ordre de quelques millivolts). J'ai seulement constaté des tensions parasites et instables...
Quand j'aurai d'autres informations plus précises, je repartirai en essais sur ce sujet, mais dans l'immédiat c'est beaucoup trop flou pour continuer.

Pour information et pour le réaliser, j'ai acheté chez "l'enchanteur" du rond théoriquement "plein" devanne13 15mm en PVC mais malheureusement toutes ces barres sont bourrées de bulles d'air.

J'ai perçé au diamètre 4 mm pour avoir une vitesse suffisante. La prise de la tension latérale est réalisée par 2 vis de 4 en inox avec téflon pur l'étanchéité, mais c'est peine perdue !.

(La réalisation donne quelque chose de très petit comparé aux débitmètres industriels...!)


6 Conclusions

Cet essai en vue de la future régulation était nécessaire, et il a été riche d'enseignements, car je pensais initialement faire une régulation //, puis j'ai commencé les mesures pour la régulation série. Ce n'était pas si mal ! Et j'ai failli oublier la régulation //.
Maintenant que j'ai vu au réel une solution et l'autre, je vais encore réfléchir, (mais je pencherais plus à réguler avec vanne série).
L'ensemble de régulation série reste plus délicat par la précision angulaire demandée, mais procure une bonne linéarité. Le retour à zéro peut être une bonne solution qui corrige à la fois les temps de mise en vitesse et d'arrêt du moteur, mais aussi le rattrapage des jeux d'un seul côté. Le temps maximum d'un retour à zéro serait de l'ordre de 10 secondes ce qui est tout à fait acceptable face à l'inertie du système solaire.

Quelque soit la solution retenue, il sera donc nécessaire de fonctionner par une commande de temps de fonctionnement car je ne peux donc  pas compter sur la débitmétrie…. On notera que l'on utilisera toujours un étrangleur réglé vers 120 litres/heure voire même un peu moins, par mesure de précaution.

Allez je vous ai donné "quelques tuyaux". Faites moi part en retour de vos essais en ces domaines et surtout en débitmètres électromagnétiques, car je ne maîtrise pas bien ce sujet.

Paul t'a oublié de mettre le tuyau de retour dans le seau !

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