Bases pratiques de fonctionnement des pressostats à membrane élastomère

1. Fonctionnement

Un système de contre-pression, dont la force est fournie soit par le système de contact lui-même, soit par un ressort est appliqué sur la membrane pour effectuer le réglage du seuil de déclenchement.

Pressostat à pression positive, modèle à rupture brusque

Pressostat à pression positive, modèle à rupture lente

Pressostat à pression négative, modèle à rupture brusque

Pressostat à pression négative, modèle à rupture lente

Pressostat différentiel, modèle à rupture lente

1: Membrane

2: Contact électrique

3: Corps pressurisé

4: Ressort de contre pression

5: Prise de pression

6: Système de réglage

7: Raccordement électrique

8: Boitier de protection (Optionnel)

9: Embout de ressort (pression négative uniquement)

10: Ressort (pression négative uniquement)

2. DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES PARTIES

2.1 LA MEMBRANE

  • La surface de la membrane: plus la surface de la membrane est grande, plus la force avec laquelle cette membrane pousse sur le système de contact est élevée pour une pression donnée.
  • La souplesse de la membrane: elle est essentielle pour la réalisation de pressostats qui doivent mesurer des pressions faibles, inférieures à 1 Mpa (1 bar). Les élastomères utilisés doivent être souples et résistants. En règle générale, plus la pression à mesurer est faible, plus la membrane doit être souple et fine pour obtenir une bonne sensibilité.
  • L’épaisseur de la membrane: les membranes fines ne peuvent pas résister à des pressions élevées. L’épaisseur de la membrane sera donc optimisée pour donner la meilleure sensibilité tout en résistant à la pression maximale à laquelle elle pourra être soumise en cours de fonctionnement. La limite de la pression maximale peut varier de 0.05 Mpa à 1 Mpa selon les modèles et épaisseurs.
  • La tenue en température de la membrane: comparées aux membranes métalliques, les membranes en élastomère ont l’avantage de la souplesse, ce qui permet de les utiliser pour des mesures de pression faibles. Les élastomères sont néanmoins limités par leur tenue en température (en général pas plus de 85°C en température permanente), bien qu’il soit possible, dans certaines conditions d’utiliser des membranes en silicone qui offrent une résistance thermique plus importante (jusqu’à 125°C ou plus).
  • La résistance chimique de la membrane Le type d’élastomère utilisé doit être compatible avec la nature du fluide ou du liquide avec lequel la membrane entre en contact. De plus, il ne doit pas durcir, ni se fendiller avec le temps. Les gaz ou liquides en contact avec la membrane peuvent avoir un effet corrosif ou destructeur à courte, moyenne ou longue échéance sur celle-ci : par exemple ozone, chlore et ses composés, brome et ses composés. La composition chimique de la membrane et la manière dont elle est vulcanisée ou moulée sont les paramètres qui vont influencer sur cette résistance.
  • Contact avec l’eau potable: Dans certaines applications, lorsque la membrane est en contact avec de l’eau potable, des normes sanitaires s’ajoutent, qui en réglementent la composition Les normes les plus connues, et qui sont utilisées comme référence normative dans de nombreux pays sont celles édictées par la FDA (Food and drug administration, USA) et par le WRC (water research council, GB). Ces normes donnent en particulier la surface maximale admissible en contact avec l’eau et la température maximale a laquelle la matière plastique peut être exposée sans que des composants nocifs se dégagent dans l’eau. Le WRC teste aussi les élastomères pour vérifier qu’ils ne facilitent pas la propagation des bactéries
  • Le nombre de membranes : Certains pays et certaines normes de sécurité imposent deux membranes, en particulier pour des applications ou le pressostat est en contact avec de l’eau ou des personnes peuvent être immergées. Cette solution, possible dans la plupart des produits JPC réduit cependant la précision des pressostats.

2.2 le contact électrique

Une certaine force est nécessaire pour actionner le système de contact électrique. Elle peut aller de quelques grammes pour des systèmes de contacts à rupture lente, à plusieurs centaines de grammes pour des systèmes de micro-rupteurs à rupture brusque. En règle générale, la force nécessaire pour actionner un contact électrique croît avec le pouvoir de coupure de celui-ci.

Les contacts à rupture lente

Dans les appareils à rupture lente les deux parties s’écartent lentement, à des vitesses de l’ordre de 1/100 de mm par seconde. Dans l’atmosphère normale, il se produit alors, lorsque les contacts sont rapprochés, un arc électrique.

La durée de cet arc est fonction de la tension.

Pour des tensions jusqu’à 24V continu ou 110V alternatif, la durée de cet arc est courte, inférieure à 0,1s.

Pour des tensions supérieures, l’arc dure beaucoup plus longtemps, produisant une fusion prématurée du contact, et de nombreuses interférences radio électriques.

C’est pourquoi il est déconseillé, malgré les avantages mécaniques (simplicité, faible coût, très grande précision), d’utiliser ces contacts dans les réseaux secteurs 230V, pour des applications de régulation à cyclage multiple.

Leurs désavantages: Leurs avantages:
– Ne permet pas de couper des intensités élevées en raison des arcs électriques importants (Et aux parasites radioélectriques qui en sont la conséquence) qui se produisent entre les contacts lorsque ceux-ci sont à proximité immédiate les uns des autres; comme les arcs électriques augmentent avec la tension, ils ne sont généralement pas utilisés pour des tensions supérieures à 24V. – Faible coût.
– Il n’existe pas de pressostats à rupture lente avec un contact inverseur; ils sont en général conçus pour fermer le contact lorsque la pression monte (contact normalement ouvert dit ”NO”) mais quelques modèles existent avec un contact qui s’ouvre par hausse de pression (contact normalement fermé dit ”NC” ou ”NF”). – Faible force de commande qui permet de les utiliser pour des faibles pressions.
– Faibles différentielles entre ouverture et fermeture du contact.
– Réalisation facile et peu coûteuse de contacts plaqués or pour utilisation en faible tension.

Les contacts à rupture brusque

Sur les contacts à rupture brusque, l’écartement se produit à des vitesses infiniment supérieures, de l’ordre de 1m par seconde (100.000 fois plus vite). L’écartement des contacts atteint en moins de 1/1000 de seconde la distance nécessaire pour que l’arc électrique s’éteigne. Il n’y a pas de parasites, le contact ne se détériore pas. Mécaniquement, ce type de contact, dit aussi à accumulation d’énergie, est beaucoup plus compliqué, onéreux, et ne permet pas une finesse de régulation aussi grande. Il est particulièrement adapté aux appareils de régulation, en 240 ou 400V.

Leurs désavantages: Leurs  avantages:
– Coût élevé. – Pouvoirs de coupure élevés en 110 et 230V, jusqu’à 30A.
– Force de commande importante limitant leurs utilisations dans les faibles pressions ou obligeant à utiliser des membranes de gros diamètre, – Contacts NO, NC ou inverseurs,
– Course différentielle importante entre ouverture et fermeture du contact, nuisant à la finesse de la régulation de pression et donnant des différentiels de pression importants entre ouverture et fermeture des contacts – Faibles arcs électriques générés lors de l’ouverture et la fermeture des contacts, ne provoquant pas de parasites radioélectriques.

Contacts argent, contacts plaqués or:

Le contact s’use par micro vaporisation de l’argent à chaque ouverture. Cette vaporisation est proportionnelle à la puissance et à la durée de l’arc électrique qui se forme. La matière la plus courante est l’argent pur. Cette matière a été choisie parce que c’est le meilleur conducteur de la chaleur et de l’électricité connu. Sa conductibilité thermique lui permet d’évacuer très rapidement le pic de température se produisant lors de l’ouverture des contacts. Sa très bonne conductibilité électrique permet de réaliser des appareils avec une très faible résistance de contact, en général inférieure à 3 milli-ohms. Cependant il n’est pas inoxydable, et se couvre progressivement d’une mince couche d’oxyde d’argent, qui n’est pas conductrice de l’électricité. Cette couche est facilement vaporisée lors d’utilisations dans les voltages domestiques courants (240V, 300V). Cependant, pour des utilisations en très basse tension (moins de 12 volts) et des courants très faibles (quelques milli- ampères), l’arc électrique créé lors de l’ouverture du contact n’est plus suffisant pour vaporiser le contact. La solution consiste alors à recouvrir ce contact d’une mince couche d’or (dit : flash d’or) de 3 à 5 microns d’épaisseur, afin de garantir son inaltérabilité.

Comparaison des caractéristiques des deux types de revêtements de contacts

Contacts argent ou alliages d’argent Contacts plaqués or
– Pouvoir de coupure élevé, utilisation recommandée en coupure de puissances supérieures à  1A 250V – Ne pas utiliser sur des voltages inférieurs à 0.1 millivolt
– S’oxydent et la résistance de contact augmente avec le temps si utilisés pour couper des puissances inférieure à 20V et 100 mA – L’utilisation sur des tensions supérieures à 30V et/ou avec des intensités supérieures à 100 mA provoque la vaporisation du flash or de protection. Le contact se comporte alors comme un contact en argent standard
 – Ne peuvent pas être employés en atmosphère oxydante. – Si la charge est inférieure à 30 mv et 10 mA, aucun changement dans la résistance de contact et durée de vie très importante (sauf contamination par hydrocarbures atmosphériques)

2.3 LE CORPS PRESSURISÉ (CHAMBRES DE PRESSION)

Le corps pressurisé est composé de deux demi coques qui enserrent une membrane. Il doit répondre à plusieurs contraintes

  • Tenue en pression: La conception de ces coques doit permettre de résister à la pression maximale à laquelle va être soumis le pressostat. Si le pressostat est soumis à une pression supérieure à la pression pour laquelle il a été conçu, ce corps va se déformer ou se briser
  • Tenue en température: Les corps pressurisés des pressostats de ce catalogue sont réalisés en matière plastique. La résistance mécanique des matières plastiques diminue avec la température. Toute élévation de température anormale, en dehors des limites spécifiées aura pour conséquence une diminution de la résistance en pression.

Utilisation en contact avec de l’eau potable: Lorsqu’une matière plastique est en contact avec de l’eau potable, les normes sanitaires imposent que cette matière plastique ne diffuse pas de composés chimiques nocifs dans l’eau. Les normes applicables et les concentrations admises diffèrent selon les pays, mais donnent toutes une température maximale d’utilisation des matières plastique liée à la température. Si une application requiert le respect d’une de ces normes, il sera nécessaire de nous fournir la norme à respecter et la température maximale de l’eau à laquelle le pressostat sera soumis.

  • Corrosion: Certains composés chimiques désinfectants,  tels que l’ozone  et les composés chlorés utilisés dans les piscines et baignoires de balnéothérapie peuvent détériorer certaines matières plastiques. Il est nécessaire de nous informer si de conditions de ce type sont rencontrées dans l’application, afin que le choix de la matière des parties plastiques en contact soit effectué judicieusement. Dans certains pressostats à rupture lente, en particulier les pressostats à pression différentielle pour air, les contacts électriques sont en contact avec le fluide dans la chambre de pression ou ils sont situés. Ces contacts seront donc en présence de l’air provenant de la source de pression à mesurer, et donc pourront être corrodés ou oxydés par celui-ci. Il est donc important, dans ces applications, de fournir des informations sur la qualité de l’air dont la pression sera mesurée

2.4 LE RESSORT DE CONTRE PRESSION

Chez JPC, Le ressort de contre pression est toujours réalisé en acier inoxydable pour résister aux différents milieux ambiants rencontrés dans les applications. Lorsqu’un pressostat est soumis à une surpression supérieure à celle pour laquelle il a été conçu, le ressort de contre pression, ou le mécanisme de contact avant d’être soumis à des contraintes importantes qui peuvent amener une déformation permanente, et donc en conséquence une modification de point de consigne de l’appareil.

2.5 LE RACCORDEMENT EN PRESSION

Le raccordement peut se réaliser selon plusieurs systèmes de base

DESCRIPTION

PLANS

Par un embout fileté plastique. Les plus courants sont M10 x 1, 1/8 NPT, 1/8 BSPT, 1/8 BSPP, 1/4 NPT, 1/4 BSPT, 1/4 BSPP; ce système est utilisé fréquemment pour les contrôles de pression de liquides

Cylindrique

Conique

Par un embout fileté métallique. Les plus courants sont M10 x 1, 1/8 NPT, 1/8 BSPT, 1/8 BSPP, 1/4 NPT, 1/4 BSPT, 1/4 BSPP; ce système est utilisé fréquemment pour les contrôles de pression de liquides.

Cylindrique

Conique

Par un embout cannelé ou lisse destiné à des tubes souples 6x3mm et autres diamètres. Ce système est utilisé fréquemment pour les contrôles de pression ou dépression d’air, et dans les systèmes de télécommande pneumatique. Ce montage est limité à des pressions faibles, inférieures à 250 mBars

Filetage cylindrique

Filetage conique

Par un embout lisse dia 6 mm pour montage sur raccords instantanés type “Push in” (ISO14743)

Par un embout de montage rapide sans filetage, avec étanchéité par joint torique. Ce système est utilisé fréquemment dans les applications de grande série en chauffe-eaux, chaudières et électroménager (1: clips de maintien, 2: joint torique)

Par un embout cannelé destiné à des tubes en PVC souples. Ce système est utilisé fréquemment pour les contrôles de pression ou dépression d’air et dans les systèmes de commande pneumatique. Tenue en pression limitée à 500mBar

Par un embout fileté, avec étanchéité par joint torique et écrou sur tube souple ou rigide.

Par un embout lisse destiné à des tubes PVC souples 6×3 mm avec écrou de verrouillage anti arrachement. Ce système est utilisé dans les systèmes de télécommande pneumatiques. Permet des pressions jusqu’à 1 Bar (0.1 Mpa)

2.6 Le système de réglage

Le réglage d’un pressostat se fait en opposant une force au déplacement de la membrane qui actionne le système de contact électrique. Cette force est produite par un ressort qui est plus ou moins comprimé selon la valeur de réglage à obtenir. Il existe 3 possibilités de réglage:

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DESCRIPTION

SCHEMA

  • Réglage fixe: il n’y a pas de réglage possible, la force étant donnée par un ressort calibré non accessible. Ce type de réglage est peu coûteux, mais avec des tolérances de réglage assez larges. Il est adapté aux productions de grande série.

  • Réglage scellé: la valeur de réglage est donnée par une vis qui comprime plus ou moins le ressort. Après réglage, cette vis est scellée en usine. Ce type de réglage est précis mais non accessible par l’utilisateur.

  • Réglage non scellé : l’utilisateur final peut modifier la valeur du point de consigne lui même, à l’aide d’une vis, un cadran ou une molette. Ce type de réglage est destiné aux utilisateurs avertis.

2.7 Le mode de raccordement électrique

DESCRIPTION

SCHEMA

Picots pour circuits imprimés

Bornes à vis

Languettes

Fils

2.8 Le boitier de protection

Le boitier de protection peut avoir deux fonctions, soit une protection contre les agressions du milieu extérieur (pluie, poussière, chocs) soit une protection contre les conditions dans lesquelles le produit va être implanté dans son application.

Dans la plupart des cas, les pressostats seront intégrés dans un ensemble électromécanique par le constructeur de la machine ou de l’équipement dans lequel il est utilisé. C’est donc cette machine ou cet équipement qui va en assurer la protection contre l’eau, les poussières, les chocs et autres contaminants.

  • Protection contre les agressions courantes du milieu extérieur: Ce sont en général des boitiers plastiques supplémentaires, qui protègent selon un degré de protection IP (EN 60529: Protection contre les pénétrations d’eau et de poussière, et IK (EN 50102: Protection contre les chocs) . Certains pressostats peuvent recevoir une protection par remplissage de résine époxy ou polyuréthane. Les pressostats eux même ont une degré de protection IP00 car ce sont des composants destinés à être intégrés. Certaines normes de sécurité imposent un degré de protection particulier
  • Protection pendant le processus de soudure: Des protections particulières sont nécessaires si les pressostats sont soudés sur des circuits électroniques (cas des pressostats avec cosses picots). Les flux de soudure sont corrosifs et peuvent pénétrer par capillarité à l’intérieur et provoquer la l’oxydation des contacts. Leur usage doit être limité au strict minimum. De même, la durée et la température a laquelle sont soumises les bornes des pressostats peuvent, si elles dépassent certaines limites, provoquer la fusion de la matière plastique du corps du pressostat, et sa détérioration ou son déréglage.
  • Protection contre les milieux explosifs, gaz et poussières: les pressostats JPC ne sont pas conçus pour une application dans ces milieux et ne répondent pas aux normes applicables dans ce domaine d’application