L'usage de pompes doseuses dans les procédés industriels n'est pas récent puisque leur généralisation date de plus d'un demi-siècle. Les pompes doseuses peuvent être assimilées à une seringue dont son rôle est d'injecter par la pression du pouce (notion de pression) un certain volume de liquide et ce, dans un laps de temps supportable par le patient (notion de débit). Aujourd'hui, les performances des pompes ont largement progressé, offrant des plages de débit évoluant du cm³/h à quelque 30 000 l/h et des pressions pouvant atteindre jusqu'à 600 bars.
Ces deux notions : pression et débit, définissent les deux paramètres fondamentaux d'une pompe doseuse et conditionnent aussi l'énergie auxiliaire à dispenser (notion de puissance) qu'elle soit d'origine électrique (la plus courante), pneumatique ou mécanique. Pour répondre aux exigences des procédés industriels, ces seuls paramètres de débit et de pression ne suffisent pas. Ces matériels doivent en effet répondre à de nombreux critères de qualité, en particulier :
• La précision
Elle peut atteindre ± 0,5 %, avec des garanties de linéarité, répétabilité et fidélité, suivant les normes en vigueur (ex. : API).
• La fiabilité
Suivant les applications de service (usage d'une pompe doseuse quelques heures par jour ou dans des conditions extrêmes : 24 h/24 h, atmosphère tropicale, zones explosives...), les choix technologiques seront différents mais adaptés à ces environnements pour obtenir une fiabilité garantie.
• La polyvalence
Les pompes doseuses sont conçues et adaptées à un champ d'applications très large (traitement et épuration des eaux, pétrole et gaz, chimie, agro-alimentaire, papeterie, agriculture...). La grande diversité des fluides (acides, bases, oxydants, solvants...), les conditions physico-chimiques (pression, température, acidité, viscosité...) nécessitent d'adapter les technologies, notamment dans la construction des doseurs.
• La sécurité
Toutes les précautions sont prises dès la conception des pompes doseuses pour garantir une sécurité totale vis-à-vis des utilisateurs (norme machine CE et selon les procédures ISO 9001). De nombreuses adaptations internes et des accessoires périphériques protègent de tout incident la pompe doseuse et, en aval, les matériels. Ces éléments sont constitués par des soupapes de sécurité internes, des détections de rupture de membrane, des détecteurs de débit... Ces éléments de sécurité ne seront pas présentés dans cet article.
• La souplesse : un débit proportionnel à la demande
Depuis une décennie, nous constatons que les pompes doseuses font de plus en plus partie intégrante d'une boucle de régulation. Si autrefois, l'essentiel des réglages du débit s'effectuait à l'aide du réglage manuel de la course et, en automatique, par simple arrêt/marche du moteur, aujourd'hui quatre méthodes principales sont mises en œuvre pour transformer les pompes doseuses en véritables organes de régulation particulièrement bien appropriés :
• régulation par impulsions variables,
• régulation par vitesse variable de rotation du moteur (variateur de fréquence),
• régulation par course variable à l'aide de servomoteurs,
• régulation double par servomoteur et par variateur de fréquence.
Ces méthodes sont examinées ci-après :
Régulation par impulsions variables
Les compteurs d'eau, les débitmètres, les pH-mètres, les Redox-mètres, les conductivimètres... émettent des impulsions électroniques ou des impulsions par contacts secs. La fréquence de ces impulsions est proportionnelle à la grandeur mesurée (compteurs d'eau) ou proportionnelle à l'écart entre la mesure et la valeur de consigne (pH-mètres, Redox-mètres). Chaque impulsion émise provoque un aller et retour de la membrane du doseur.
[Photo : Dosage proportionnel par pompe D Pulse pilotée par un signal 4-20 mA ou par des impulsions.]
Une cylindrée est alors injectée par impulsion reçue ; cette technique est couramment retenue pour réaliser des applications simples de dosage proportionnel à un débit principal : exemple l’injection de réactifs en matière de traitement des eaux (chloration, injection d’inhibiteurs de corrosion...). Cette méthode est applicable aux pompes électromagnétiques ou électromécaniques équipées d’une électronique adaptée (D Pulse) dans une échelle de débits s’étendant de 1 cm³/h à 150 l/h (figure 1). Pour mieux s’adapter aux conditions de service, les pompes doseuses analogiques peuvent auto-alimenter des multiplicateurs, des diviseurs d’impulsions ou des convertisseurs de signaux analogiques (4-20 mA génère 0 à 100 impulsions).
L’arrivée des pompes électromagnétiques à microprocesseur assure une souplesse d'utilisation sans égal (pompe LMI type AQ) (figure 2). La pompe doseuse accepte des signaux analogiques (0-20 mA / 4-20 mA), dont une fraction peut être programmée pour une plage totale ou partielle du débit en mode direct ou inverse. En d’autres termes, le signal de mesure d’un pH-mètre (p. e. 4-20 mA = 2-12 pH) peut piloter deux pompes doseuses pour procéder à une neutralisation bilatérale acido-basique.
Remarque sur la régulation du pH
La régulation bilatérale du pH en mode strictement proportionnel n’est techniquement acceptable que si les conditions sont favorables (bâche tampon, temps de séjour suffisant...). Dans les autres cas, l’emploi d’un régulateur PID (ou deux régulateurs, dans le cas
[Photo : Pompe doseuse électromagnétique à microprocesseur pilotée par un signal 4-20 mA ou par des impulsions.]
d’une régulation bilatérale) est indispensable.
Régulation par vitesse variable de la rotation du moteur (variateur de fréquence)
Cette technologie agit sur le débit de la pompe doseuse en modulant la vitesse de rotation du moteur électrique asynchrone. Le débit de la pompe doseuse varie de façon proportionnelle en changeant la fréquence d’alimentation du moteur électrique de 0 à 50 Hz (ou 0 à 60 Hz). Le réglage peut s’opérer soit en mode manuel, soit en mode automatique.
En mode manuel la commande se fait simplement par une programmation du variateur à microprocesseur à l’aide de la console située en façade : une pompe doseuse débitant 600 l/h à 50 Hz verra son débit réduit à 300 l/h à 25 Hz.
En mode automatique : un signal analogique (4-20 mA, 0-20 mA ou 0-10 V) délivrera une fréquence proportionnelle à la valeur du signal d’entrée ; c’est ainsi qu’une pompe doseuse débitant 600 l/h à 50 Hz, pilotée par un signal d’entrée de 4-20 mA, délivrera un débit de 300 l/h avec un signal d’entrée de 12 mA.
Les variateurs actuels à microprocesseur sont d’une très grande souplesse d'utilisation pour tous types de moteurs électriques usités pour les pompes doseuses (0,2 à 30 kW). En effet, ces variateurs permettent de faire des régulations de type proportionnel en mode direct (plus le signal augmente, plus la fréquence augmente) ou en mode inverse. Cette technique est de plus en plus retenue, et ce grâce aux performances actuelles et à des coûts plus compétitifs. Quelques précautions doivent cependant être prises vis-à-vis de la cadence minimale de la pompe pour maintenir une bonne précision du dosage.
Régulation par course variable à l’aide de servomoteurs
Les servomoteurs périphériques aux pompes doseuses automatisent le réglage du débit de la pompe en actionnant le système de réglage de course. Pour les applications en zone explosive, des servomoteurs pneumatiques peuvent être particulièrement bien adaptés. Ce sont surtout les servomoteurs électriques alimentés en monophasé (48 à 250 V 50/60 Hz) ou en triphasé (24 à 660 V 50/60 Hz) qui sont les plus couramment utilisés. Ceux-ci existent sous deux grandes familles :
- les servomoteurs étanches IP 65,
- les servomoteurs antidéflagrants (avec un moteur E Ex de II CT 5) conçus pour zones explosives.
Chaque servomoteur nécessite un coffret de commande qui joue le rôle de régulateur et qui alimente électriquement le servomoteur en fonction de l’écart Mesure-Consigne.
Une nouvelle génération de servomoteurs très compacts s’est développée ces deux dernières années : les servomoteurs électroniques (type ECC) (figures 3 et 4). Comme on le voit ci-dessous, ces derniers présentent des atouts indiscutables :
- flexibilité d’utilisationÀ partir d’un signal d’entrée 4-20 mA, le servomoteur peut travailler en mode direct (4-20 mA = 0-100 % du débit) ou en mode inverse (4-20 mA = 100-0 % du débit). À titre d’exemple, il est possible
[Photo : Pompe doseuse industrielle mRoy® (jusqu’à 310 l/h, 123 bars), avec servomoteur électronique ECC piloté par signal 4-20 mA.]
[Photo : Pompe doseuse industrielle Milroyal® B (jusqu'à 2500 l/h, 140 bars), avec servomoteur ECC.]
de procéder à une régulation proportionnelle bilatérale du pH (acido-basique) à partir du seul signal de mesure 4-20 mA du pH-mètre (4-20 mA = 2-12 pH) en alimentant deux servomoteurs en série.
compacité
Ces servomoteurs électroniques ne nécessitent plus de coffrets de commande séparés coûteux et encombrants.
vitesse de réaction
Ces servomoteurs électroniques ont des temps de réponse très courts (quelques secondes) et sont donc bien adaptés aux procédés de traitement des eaux.
précision
L'intérêt de cette technologie est d'assurer une injection continue avec une précision de +/- 0,5 % du débit dans toute la plage intéressée.
[Photo : Automatisation de la coagulation par dosage proportionnel à deux variables : une quantitative : un débitmètre pilote de façon proportionnelle la rotation du moteur de la pompe doseuse (variateur de fréquence), l'autre qualitative : un analyseur SCD (Streaming Current Detector) mesure en continu l’état de charge des particules colloïdales (comparable à la mesure par zétamètre) ; un régulateur pilote l’ouverture du vernier à l’aide du servomoteur électronique ECC. Cette technique assure une réaction rapide et fiable dans une plage de 0,5 à 100 % du débit de la pompe doseuse.]
Double régulation par servomoteur et par variateur de fréquence
Dans certaines applications, les variables perturbatrices (qualité, débit de l’eau...) peuvent être nombreuses. Il peut être judicieux, si l'on veut obtenir une réaction rapide du système, de moduler le débit de la pompe à partir de deux variables.
À titre d’exemple, si l'on observe une variation du débit de l’eau dans un rapport de 1 à 20 et une variation de la qualité de l’eau de 1 à 10, la résolution de la pompe doseuse doit être de 1 à 200, ce qui ne peut être résolu à l’aide d’une pompe doseuse équipée d’un seul organe de réglage. Dans ce cas, il est possible d’obtenir une très bonne résolution en jouant sur les deux organes de réglage (figure 5) :
- le débitmètre pilote le variateur de fréquence,
- le transmetteur (ou le régulateur, suivant le paramètre mesuré) pilote un servomoteur électrique ou électronique.
Conclusion
Comme on l’a vu ci-dessus, les progrès récents réalisés sur les pompes doseuses et leurs périphériques (servomoteur, variateur de fréquence, transmetteur-régulateur de pH, Redox, conductivité) offrent des solutions fiables adaptées à toutes les applications et notamment en matière de traitement et d’épuration des eaux.
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