Électrovannes pneumatiques : Guide ultime des types, des composants et de leur fonctionnement ?

Grâce à son mécanisme de commande électronique moderne, une électrovanne pneumatique fonctionne 5 à 20 millisecondes plus rapidement qu'un clignement d'œil humain (100 à 400 millisecondes). Autrement dit, la vanne s'actionne 20 fois tandis qu'un humain ne cligne qu'une seule fois. Cette ultra-rapide permet aux machines d'éjecter les bonbons irréguliers ou défectueux du système d'alimentation par air comprimé. Ces opérations rapides sont également extrêmement fiables. Une électrovanne pneumatique peut fonctionner pendant 20 à 50 millions de cycles (une ouverture et une fermeture complètes), tandis que certains modèles haut de gamme peuvent atteindre 200 millions de cycles.

Cet article propose une approche globale pour aider nos lecteurs à bien comprendre les électrovannes pneumatiques. Nous aborderons leur fonctionnement, leurs différents types, leurs composants, leurs applications, leur importance en automatisation et les critères de choix lors de leur achat.

1. Que sont les électrovannes pneumatiques ?

Ces vannes combinent génie électrique et mécanique. Elles fonctionnent grâce à des signaux électriques envoyés par un contrôleur, déclenchant une réponse mécanique qui autorise ou bloque le passage de l'air. En d'autres termes, elles assurent la liaison entre les automates programmables (PLC) et le mouvement pneumatique. À l'aide d'un signal électrique de faible amplitude, ces dispositifs peuvent contrôler des mouvements mécaniques à haute pression.

2. Comment fonctionnent les électrovannes pneumatiques ?

Mécanismes opérationnels

La fonction principale d'une électrovanne pneumatique est la conversion d'énergie électrique en énergie magnétique, laquelle est ensuite transformée en énergie mécanique. Elle fonctionne sous une tension de 24 V CC, standard pour les applications industrielles. Le courant traverse une bobine de fil de cuivre et induit un champ magnétique qui se concentre dans le noyau de fer de la vanne. Le piston, ou armature, relié à ce noyau, se met en mouvement. Ce mouvement provoque l'ouverture ou la fermeture d'un petit orifice ou de tiroirs, permettant ainsi de connecter différents ports, selon le modèle. L'air est alors acheminé vers un cylindre ou évacué vers l'échappement.

En résumé, la séquence est la suivante :

Activation de la bobine → Champ magnétique → Déplacement interne → Flux d'air

Méthodes de contrôle

Il existe plusieurs méthodes de commande pour les électrovannes pneumatiques. Voici la liste par ordre d'application :

• PLC / Télécommande : C'est la technique la plus courante qui utilise un automate programmable pour déclencher l'électrovanne.

• Commande proportionnelle : cette méthode permet à l’électrovanne de maintenir une position précise grâce à la modulation de largeur d’impulsion (MLI). Ainsi, l’électrovanne pneumatique peut maintenir une position de 20 %, 30 %, …, 100 % selon les besoins.

• Surveillance intelligente : dans le cadre de l’industrie 4.0, ces vannes transmettent les temps de cycle et les temps de réponse à un ordinateur de contrôle central pour la maintenance prédictive.

• Commandes manuelles : De petits boutons ou gâchettes sont montés sur la vanne pour une utilisation manuelle.

Force électromagnétique et ses variables

La force générée pour déplacer le piston peut être calculée à l'aide d'une formule simple :

F=B²*A/2*uo

B = Densité de flux, qui dépend du nombre de bobines et du courant.

A = Aire de la section transversale du piston

µo = Perméabilité signifie qu'un matériau ferromagnétique de meilleure qualité produit une force plus importante.

Conception et fonctionnalité enroulées

Le tiroir est l'élément clé qui détermine la direction du flux d'air entre les différents orifices de l'électrovanne pneumatique. Dans les électrovannes à incandescence rapide, le tiroir est une tige cylindrique comportant des sections surélevées et des rainures. L'air pénètre dans le corps de l'électrovanne et pousse le tiroir des deux côtés, ce qui lui permet de se déplacer sans effort face à la pression de l'air.

Lorsque la rainure s'aligne avec l'orifice, l'air peut circuler. À l'inverse, une partie surélevée bloque le flux d'air. Imaginez la bobine comme une série d'haltères alignées, comme celles que l'on utilise à la salle de sport.

Mécanisme de mise hors tension et de retour

La réponse d'une électrovanne pneumatique à sa mise sous tension est tout aussi importante que sa mise sous tension. Le tiroir se déplace jusqu'à la position requise, conformément à sa conception. Voici trois mécanismes couramment utilisés dans une électrovanne :

• Mono-Stable : Un ressort mécanique ramène le ressort à sa position initiale. Généralement, l’état de sécurité est conforme aux exigences du processus.

• Bistables : Ces tubes conservent leur position même en cas de coupure de courant. Ils sont constitués de deux bobines.

À assistance pilote : dans ces vannes, la pression du système pousse le tiroir jusqu’à sa position neutre.

4. Quelles sont les parties d'une électrovanne pneumatique ?

Pièces statiques

• Corps : Cette pièce est fabriquée en aluminium anodisé, en laiton ou en acier inoxydable. Elle comporte des orifices permettant une circulation d’air directe.

• Tube central : Tube non magnétique recouvrant le piston et faisant office de réservoir sous pression. Il maintient la pression à l’intérieur tout en laissant passer le champ électromagnétique.

• Noyau fixe : également appelé écrou de raccordement, il s'agit d'une pièce ferromagnétique stationnaire située en haut du tube central.

Déplacement des internes

• Cœur : Composant essentiel dont le mouvement est assuré par d'autres éléments de l'électrovanne. Il s'agit d'une tige ferromagnétique qui se déplace verticalement. Les plongeurs de haute qualité sont souvent dotés de bagues d'ombrage pour éliminer les ronflements et de surfaces rectifiées avec précision pour réduire les frottements.

• Ressort central : Amène le piston en position de sécurité.

• Tige : Liaison mécanique entre le piston et la bobine.

• Tiroir ou disque : Dans une vanne à tiroir, il s’agit d’une longue tige rainurée. Dans une vanne à clapet, il s’agit d’un disque qui appuie contre un siège. Ces dispositifs sont souvent revêtus de NBR, de FKM ou de PTFE pour garantir une étanchéité parfaite.

Composants électriques

• Bobine : Des milliers de bobines de cuivre enroulées, encapsulées dans de l'époxy pour les protéger de l'humidité et des vibrations.

• Capot modulaire : Permet de remplacer la bobine 24 V CC par une bobine 110 V CC sans démontage des ports.

5. Dans quels secteurs les électrovannes pneumatiques sont-elles utilisées ?

Production et logistique

• Robotique : Prélèvement et placement à grande vitesse et assemblage automatisé.

• Convoyeurs : Actionnement rapide des portes de tri et des déviateurs de matériaux.

• Entreposage : Îlots de vannes modulaires pour un tri de colis évolutif et à grande vitesse.

Transports et aérospatiale

• Automobile : Contrôle du freinage pneumatique, de la suspension et des pinces de soudage sur chaîne de montage.

• Aérospatiale : Vannes légères pour trains d'atterrissage et surfaces de contrôle de vol.

• Résistance aux vibrations : Conception spécialisée pour les environnements automobiles soumis à de fortes contraintes.

Procédés et énergie

• Pétrole et gaz : Actionnement à distance des vannes de pipeline à l’aide de solénoïdes antidéflagrants.

• Chimie/Pharmacie : Régulation précise des gaz dans les réacteurs à l’aide de corps résistants à la corrosion.

• CVC : Contrôle automatisé des registres et du zonage pour une meilleure efficacité énergétique du bâtiment.

Santé et hygiène

• Médical : Administration précise d'oxygène dans les ventilateurs et les équipements de diagnostic.

• Alimentation et boissons : Remplissage et conditionnement via des vannes conformes aux normes FDA et résistantes au lavage.

• Contrôle de la contamination : Conceptions permettant un fonctionnement propre dans les environnements de traitement stériles.

6. Pourquoi choisir des électrovannes pneumatiques pour les systèmes automatisés ?

• Performances à haute vitesse : La force électromagnétique globale générée par la bobine est puissante, et les composants internes ont une faible inertie, ce qui permet des temps de réponse extrêmement courts de 5 à 10 ms.

• Efficacité opérationnelle : Les électrovannes pneumatiques consomment très peu d’énergie. De plus, les modèles à commande pilote utilisent l’air comprimé, ce qui réduit encore la consommation électrique.

• Fiabilité et sécurité : Composées de peu de pièces mobiles, ces vannes offrent une durée de vie de 100 millions de cycles. Les modèles monostables garantissent la sécurité en revenant à un état sûr après mise hors tension.

• Intégration transparente : La basse tension permet un contrôle via des automates programmables ou des relais, garantissant un fonctionnement optimal dans des environnements dangereux et inaccessibles.

• Intelligence intelligente : l’intégration de l’Industrie 4.0 permet aux vannes de fournir des diagnostics en temps réel.

7. Quels facteurs doivent être pris en compte lors de l'évaluation des électrovannes pneumatiques ?

Étape 1 : Plage de pression

Vérifiez que le système répond aux exigences de pression minimale et maximale. Assurez-vous qu'un différentiel de pression n'est pas nécessaire.

Étape 2 : Capacité de débit

Dimensionnement adapté à la vitesse de l'actionneur sans blocage ni gaspillage d'énergie.

Étape 3 : Matériaux

Choisissez le corps et les joints en fonction de la qualité de l'air et de la température.

Étape 4 : Spécifications électriques

Adaptez la tension et privilégiez les résistances de faible puissance pour limiter la chaleur.

Étape 5 : Vitesse du vélo

Confirmer les temps de réponse en millisecondes et la durée de vie totale des cycles pour les tâches à forte utilisation.

Étape 6 : Style de montage

Choisissez un montage en ligne, sur collecteur ou direct NAMUR.

Étape 7 : Environnement

Vérifiez les indices de protection IP et NEMA ainsi que les certifications ATEX pour les zones dangereuses.

Étape 8 : Conformité

Recherchez les labels spécifiques à l'industrie, tels que CE, UL ou FDA.

Étape 9 : Efficacité

Privilégiez les fonctionnalités permettant d'économiser de l'énergie, comme les coupures de zone ou les serpentins à verrouillage.

8. FAQ

Q1 : Quelle est la différence entre les électrovannes pneumatiques à action directe et les électrovannes à commande pilote ?

Les électrovannes pneumatiques à action directe utilisent la force électromagnétique pour déplacer le tiroir, ce qui les rend adaptées aux faibles débits. En cas de débit important, un système à levier piloté est utilisé pour garantir un rendement et un débit optimaux.

Q2 : Quel entretien est requis pour les électrovannes pneumatiques ?

Les joints d'étanchéité sont les éléments les plus vulnérables. Ils nécessitent une inspection régulière, au même titre que les serpentins. Le nettoyage régulier des ports et le contrôle du temps de réponse sont essentiels au bon fonctionnement du système. Un programme de maintenance préventive garantit un entretien optimal.

Q3 : Les électrovannes pneumatiques conviennent-elles à la commande proportionnelle ?

Dans le cas d'applications nécessitant une variation progressive du débit, l'intégration de contrôleurs PWM est idéale.