XII - PERFORMANCES DES DÉTENDEURS -

 

 

Table des matières

·        Les besoins en air du plongeur

·        La sensibilité

·        Le travail respiratoire

·        Les machines à respirer

·        Courbes respiratoires

·        Influence de la profondeur

·        Influence de la Haute pression

·        Influence de la position

·        Influence de la température

 

Livre d'or

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Un bon détendeur doit fournir à son utilisateur, en toutes circonstances, tout l'air qui lui est demandé, pour un faible travail inspiratoire.

Il doit aussi se refermer à coup sûr, ne pas fuir ou passer spontanément en débit continu. Il peut très bien passer en débit continu embout vers le haut mais il ne doit pas le faire embout horizontal ou vers le bas. Cependant lorsque le phénomène est amorcé il doit être possible de l'arrêter en soufflant en sens inverse ou en interposant un doigt à la sortie.

Les besoins en air du plongeur

Depuis l'origine de la plongée sportive, on a essayé de définir les performances des détendeurs. On s'est vite aperçu que ceci était très subjectif. Aussi a t-on choisi quelques critères qui, s'ils ne sont pas très rigoureux ont permis de comparer les détendeurs entre-eux et surtout de faire plancher les candidats aux brevets en utilisant les mêmes hypothèses sur la respiration.

En plongée d'exploration, un plongeur est supposé consommer en moyenne 20 litres d'air par minute à la pression ambiante et le débit inspiratoire et expiratoire, assimilé à une sinusoïde, représente environ 32 litres crête.

Débit crête = Débit moyen x p/2

En plein effort, sa consommation moyenne passe à 50 litres d'air minute, soit environ 78 Litres minute en crête.

A trente mètres de profondeur, en air détendu, cela représente, 200 litres minutes en moyenne et 314 litres minute en crête, à 70 mètres ces chiffres sont multipliés par 2.

A ceci, il faut ajouter qu'avec l'augmentation de pression l'air devient moins fluide, les échanges gazeux au niveau des poumons se font mal. Ceci avec la baisse de température et le stress rencontrés en profondeur provoque une demande supplémentaire d'air de la part du plongeur.

Un bon détendeur devait être capable de fournir 1000 litres/minutes d'air détendu en toute circonstance.

L'entrée en vigueur de la norme EN250 en 1995 a bousculé toutes ces données.

Un certain nombre de paramètres sont aujourd'hui utilisés pour définir les performances des détendeurs :

La sensibilité

C'est la dépression qui est nécessaire dans la chambre sèche pour provoquer le début d'ouverture du clapet. Elle devrait rester constante quelque soit le débit demandé, la pression bouteille, la température etc. La sensibilité s'exprime en cm d’eau ou en gramme par cm².

Remarques :

1) Un bon détendeur doit avoir une sensibilité de quelques centimètres d’eau à l'ouverture.

2) Plus la sensibilité est grande plus le chiffre qui la caractérise est petit.

3) Le contraire de la sensibilité est appelé la dureté.

On utilise parfois le terme souplesse pour définir la performance d'un détendeur. Ce terme, pas très précis, inclue à la fois la sensibilité et les possibilités de débit.

Le travail respiratoire

La sensibilité est un paramètre statique. En fait pour évaluer la qualité d'un détendeur il est préférable de mesurer le travail nécessaire pour vaincre les frottements, les phénomènes dynamiques, l'inertie des pièces mécaniques, ainsi que celles des masses d'air et d’eau mises en mouvement à chaque inspiration et expiration.

C'est donc en fait le travail respiratoire aux différentes profondeurs qui reflète le mieux les performances des détendeurs.

Ce travail s'estime en Joules par litre d'air respiré (Le Joule est le travail effectué par une force de un Newton lorsque son point d'application se déplace de 1 mètre dans la même direction que celle de la force).

Il est très difficile à un plongeur d'estimer objectivement ce travail. Par contre il est possible de le mesurer à l'aide d'une "Machine à respirer" équipée de capteurs de pression et de débit. Le tout est géré par un ordinateur qui donne directement les résultats sous forme de courbes que l'on peut imprimer.

Machines à respirer

Un tel appareil est constitué principalement d'une cuve hyperbare partiellement remplie d’eau dans laquelle on peut faire varier la pression entre 0 et 8 bar, par exemple. (Voir figure 41).

Le détendeur à étudier est immergé à l'intérieur. Le premier étage est alimenté de l'extérieur à l'aide d'une bouteille Haute Pression à travers un détendeur H.P. de réglage. La sortie du deuxième étage est reliée à une pompe constituée par un cylindre dans lequel se déplace un piston à double effet.

La tige de commande est actionnée par un système bielle-manivelle dont on peut faire varier la cadence et l'amplitude.

Le mouvement est à peu prés sinusoïdal ce qui simule assez mal la ventilation pulmonaire. D'autres mouvements peuvent être simulés à l'aide de cames appropriées ou par la commande électronique d'un moteur pas à pas.

La récupération de l'air "expiré" se fait par un déverseur qui, de plus, permet de régler la profondeur simulée (Pression ambiante).

Fig. 41        Simulateur respiratoire

Outre la mesure du travail respiratoire ce type d'appareil permet de mesurer la dureté, les résistances dynamiques et d'obtenir les courbes de variation de pression tant à l'inspiration qu'à l'expiration.

Un tel équipement est destiné au travail de laboratoire, il est malheureusement très onéreux. Il permet surtout de comparer les détendeurs entre-eux et d'en étudier le comportement dans différentes conditions de débit et de pression. Ces essais doivent toujours être complétés par des tests en immersion par des plongeurs spécialistes. Nous verrons plus loin qu'il existe des bancs d'essai simplifiés qui permettent de régler les détendeurs en atelier d'une façon satisfaisante.

On notera que la norme EN 250 prévoit le test de l'ensemble du scaphandre. (Bouteille, robinetterie, détendeur) Pour cette raison dans les machines à respirer récentes, l'ensemble du scaphandre est placé dans l'eau, à l'intérieur de la machine. C'est le cas de la machine ANSTI dont il existe très peu d'exemplaires, vu son prix. Celle représentée ici est de conception ancienne.

Courbes respiratoires

Pour répondre à la norme EN 250 concernant les équipements respiratoires, les fabricants sont de plus en plus obligés de tester leurs détendeurs à l'aide de machines à respirer. La norme précise entre autre que le débit respiratoire doit-être de 62,5 l/mn à raison de 25 cycles de 2,5 litres par minute. Le volume d'air respiré en fonction du temps s'apparente à une sinusoïde.

Le rôle de la machine est de déterminer les dépressions ou pressions nécessaires au détendeur pour assurer ce débit jusqu'à une profondeur de 50 mètres. Si le détendeur était une machine passive, la courbe de pression aurait la forme d'une sinusoïde, repliée sur elle même, d'amplitude plus ou moins grande, comme sur la figure 42.

La sinusoïde a été repliée sur elle-même pour faciliter la présentation. La courbe est parcourue dans le sens des aiguilles d'une montre. L'inspiration en bleu au-dessous et l'expiration en rouge au-dessus. En général, on considère que le cycle commence par l'inspiration, à droite de la courbe bleue.

Figure 42 Courbes d'inspiration et d'expiration théoriques

En fait de nombreux paramètres viennent modifier cette courbe. Considérons en premier lieu que le premier étage est parfait et délivre une Moyenne Pression constante, en toute circonstance. Étudions alors ce qui se passe dans le deuxième étage.

A l'inspiration (Voir la figure 43)

Pour ouvrir le clapet, le plongeur doit vaincre 2 forces : l'une est celle appliquée par le ressort de rappel du clapet pour assurer l'étanchéité de celui-ci. L'autre est due aux frottements secs dus à la rugosité des pièces en mouvement. L'ensemble constitue le seuil d'ouverture, point "A" de la courbe.

Les frottements secs obligent la dépression nécessaire à dépasser celle correspondant à la demande d'air. Il en résulte souvent des sur-oscillations de la courbe qui mettent parfois un certain temps à s'amortir ; Ces oscillations sont d'autant plus importantes que l'effet Venturi est important.

Le travail inspiratoire est représenté par la surface de la courbe en dessous de la ligne du zéro. Pendant l'inspiration, en "B1" la courbe, au-dessous du seuil, devrait avoir la forme d'une portion de sinusoïde. En fait l'effet Venturi permet de l'aplatir comme en " B2 "et même de la faire passer par des valeurs positives comme en " B3 "ce qui conduit à une diminution du travail respiratoire pouvant aller jusqu'au débit continu. (Le détendeur donne plus d'air qu'on ne lui en demande)

Il y a parfois un seuil en fin d'inspiration en "C". A ce point, l'effet Venturi diminue et la dépression n'est plus suffisante pour maintenir le faible débit demandé. La pression remonte alors rapidement vers zéro. C'est la fermeture du clapet.

On notera qu'à l'inspiration comme à l'expiration, les membranes respectives sont en équilibre instable ce qui explique en grande partie les oscillations qu'elles subissent et le bruit qu'elles génèrent.

 

Figure 43 Courbes d'inspiration et d'expiration pratique

A l'expiration

Au début de l'expiration, il y a aussi un seuil expiratoire, voir en "D". Le travail expiratoire dépend en grosse partie de ce seuil. On ne peut cependant le réduire sans augmenter le risque d'entrée d'eau pendant l'inspiration.

Ce seuil est lié à la forme et à la souplesse de la soupape d'expiration ainsi qu'à la finition de son siège. En fait cette soupape, au-delà d'une certaine pression, se soulève rapidement. Il y a un effet de bascule qui libère brutalement l'air. Ceci produit parfois un rebondissement et même de petites oscillations de la courbe.

En cours d'expiration, en "E", la courbe a approximativement la forme d'une portion de sinusoïde. Elle est cependant perturbée par la sortie irrégulière des bulles. La forme des moustaches peut aussi produire un effet de succion qui aplatit la courbe, réduisant ainsi le travail expiratoire.

En fin d'expiration, en "F", on peut aussi retrouver une oscillation due à la fermeture rapide de la soupape d'expiration.

Courbe déformée à l'inspiration

En fait la courbe pratique ci-dessus est souvent déformée par des défauts du détendeur.

Lorsque le premier étage ne peut fournir le débit nécessaire, cela réagit sur le deuxième en ayant tendance à tirer la courbe vers le bas voire à la faire dépasser la limite de la norme.

De même, lorsque les frottements secs dans le détendeur ne sont pas négligeables, il se produit des oscillations tout au long de la courbe. (On doit toutefois noter ques ces oscillations peuvent être partiellement produites par la machine de test elle-même) Ces défauts peuvent se voir sur la figure 43bis ci-dessous.

Figure 43bis Courbes déformée et oscillations

Remarques :

  1. Les frottements secs peuvent diminuer pendant la période de rodage du mécanisme. Après un certain nombre de plongée, les performances s'améliorent.
  2. En contre partie, le détendeur peut s'encrasser ce qui peut faire baisser les performances.
  3. Les machines fonctionnant dans l'eau amortissent davantage les oscillations que celles fonctionnant dans l'air. Les résultats de ces dernières sont donc plus pessimistes de ce point de vue.
  4. Le seuil d'ouverture est indispensable pour éviter que le détendeur ne passe spontanément en débit continu. Il peut être réglable soit progressivement soit par bonds. Il consiste dans la plupart des cas en un réglage de la force de ressort de rappel du clapet.
  5. Le réglage de l'effet Venturi est, lui aussi, souvent réglable pour optimiser le travail respiratoire. Il consiste en un volet mis sur le trajet de l'air pour l'orienter plus ou moins vers la membrane ou la sortie.
  6. Les réglages progressifs sont souvent subjectifs et pour ma part je préfère des réglages par tout ou rien ou par bonds.
  7. Dans les machines fonctionnant dans l'eau, au travail nécessaire pour ouvrir le clapet vient s'ajouter celui nécessaire à mettre l'eau en mouvement sous l'action de la membrane.
  8. Les courbes ci-dessous se rapprochent de ce que l'on obtient de mieux actuellement mais, très souvent, l'effet Venturi étant mal maîtrisé, la partie inspiration est beaucoup plus chahutée.
  9. Pour définir la norme, les spécialistes ont assimilé la courbe respiratoire à une sinusoïde. En fait on sait que ce n'est pas le cas. La durée de l'inspiration naturelle est environ deux fois plus courte que celle de l'expiration. On ne peut donc pas la replier exactement sur elle-même.
  10. Certains détendeurs comme les "Poséidon" ne sont pas progressifs, ils fournissent de l'air en abondance au début de l'inspiration et s'arrêtent dés que le plongeur a rempli ses poumons. C'est la durée de l'inspiration qui détermine le volume inspiratoire. Elle peut donc être beaucoup plus courte que la durée d'expiration. Il est difficile d'analyser leur fonctionnement avec la machine à respirer normalisée.
  11. Les détendeurs à effet "Vortex" n'ont pas ou très peu d'effet Venturi. Il n'y a donc pas de réglage de cet effet. Par contre le seuil devra être réglé au mieux pour éviter des fuites. Marès a pris l'option de n'avoir aucun réglage.
  12. Lors de l'utilisation de la machine à respirer les mesures de pressions ou de dépressions se font dans un embout spécial défini par la norme. Ces valeurs ne sont pas celles qui règnent sous la membrane. (Lorsque l'effet Venturi se manifeste, la pression sous la membrane est négative alors qu'elle est positive dans l'embout)

A propos de la norme EN250 :

  1. Dans la cuve, le détendeur doit être immergé dans de l'eau à 10°C, (à 4°C pour les détendeurs devant résister au froid) le deuxième étage doit être au moins à 0,2 mètres de profondeur pour éviter l'effet de surface et en position membrane verticale. (la plus fréquente pour un plongeur)
  2. La surface de la courbe détermine le travail en joules par litre (J/l) nécessaire pour respirer. La norme fixe à 3 J/l le travail maximum à 50 m de profondeur. (1,4 J/l dans le standard américain)
  3. On constate que les bons détendeurs exigent moins de 1 J/l Par contre, la partie positive de la courbe, ne doit pas représenter plus de 0,3 J/l. (Ce qui signifie que l'effet Venturi doit-être limité)
  4. Il faut remarquer que, lorsque l'effet Venturi fait passer la courbe au-dessus de zéro, la partie positive de la courbe inspiratoire, ici hachurée en bleu, n'est pas prise en compte pour le calcul.
  5. Les caractéristiques autres à respecter sont les suivantes :
    1. Pression inspiratoire négative -25 mbar
    2. Pression inspiratoire positive + 5 mbar maximum. (Ce qui signifie encore que l'effet Venturi doit-être limité)
    3. Pression expiratoire +25 mbar maximum.

Influence de la profondeur

En profondeur, la modification de la fluidité de l'air provoque des modifications de fonctionnement en particulier dans les seconds étages. Les systèmes de compensation ne permettent de remédier que partiellement à ce défaut. (D'où la sur compensation) Nous verrons plus loin que la profondeur influence aussi les performances en température des détendeurs.

La qualification des détendeurs se faisant à 50 mètres, on ne sait pas ce qui se passe aux autres profondeurs et nous avons de bonnes raisons de penser, que certains détendeurs très bons à cette profondeur ne le sont plus au voisinage de la surface. Il serait intéressant de disposer de la courbe de travail respiratoire en fonction de la profondeur.

La compensation de l'effet Venturi diminue avec la profondeur. Un détendeur réglé au mieux au voisinage de la surface peut très bien passer en débit continu en profondeur.

Un détendeur est un système asservi. Pour tenir les spécifications au point exigé par la norme, les fabricants utilisent différents artifices. Ceci peut entraîner des instabilités en d'autres points qui ne sont pas vérifiés. On risque des débits continus incontrôlables.

Influence de la Haute pression

Lorsque la pression dans la bouteille diminue, les performances varient. Même avec une excellente compensation, en deçà d'une certaine valeur de la H.P., le détendeur plafonne n'assurant plus le débit nécessaire. Certains fabricants compensent leur premier étage de façon à assurer un fonctionnement correct pour de faibles H.P. Ils appellent cela une surcompensation !

Influence de la position

En fonction de la position du plongeur debout ou horizontal, les performances changent.

Si pour le second étage, on prend comme référence le centre de l'embout et celui des membranes expiratoires et inspiratoires, on constate que la pression de l'eau diffère selon la position du détendeur. Les courbes de la figure 62 ci-dessous traduisent ces variations, les plus fines pour un détendeur vertical les plus épaisses pour un détendeur horizontal. Les valeurs données ici ne le sont qu'à titre indicatif. Elles dépendent de la réalisation du détendeur.

Examinons maintenant ce qui se passe à l'expiration. (courbes rouges) Sur les dessins a et b des détendeurs, on constate qu'entre les 2 positions à 90° la différence de profondeur est de 25 millimètres ce qui se traduit par un effort à l'expiration du détendeur horizontal de 2,5 millibars plus faible que s'il était vertical. Non seulement cela diminue le travail expiratoire mais en plus cela facilite les entrées d'eau car la pression de la membrane expiratoire sur son siège est plus faible.

Examinons maintenant ce qui se passe à l'inspiration. (courbes bleues) Sur les dessins c et d du bas, on constate qu'entre les deux positions il y a une différence de 10 millimètres ce qui en position horizontale va réduire le travail inspiratoire. Ceci peut même aller jusqu'à provoquer le débit continu du détendeur.

En résumé, le travail respiratoire se trouve réduit lorsque le détendeur se trouve en position horizontale. De plus, il y a risque d'entrée d'eau et de passage en débit continu. Ceci explique en plus qu'un plongeur qui descend tête en bas, a plus facilement tendance à boire de l'eau.

Il faut noter que la norme EN250 prévoit le test des détendeurs en position verticale ce qui est donc moins favorable tant à l'expiration qu'à l'inspiration.

Figure 62 Performances fonction de la position

L'anatomie et même la physiologie de chaque plongeur font qu'ils ne perçoivent pas tous les performances de la même façon. Les anciens plongeurs se souviennent particulièrement des différences importantes que l'on obtenait avec un détendeur Mistral suivant que l'on se tenait debout, sur le dos, ou sur le ventre. En effet, la position relative des membranes par rapport au barycentre des poumons intervient de façon non négligeable.

Bien que la machine Ansti  puisse mesurer des variations de travail de 0,1 joule par litre, un plongeur non averti n'est pas capable de détecter des différences entre détendeurs inférieures à 0,5 joules par litre. Ceci relativise les différences que l'on peut voir lors de certains tests comparatifs dans les magazines spécialisés.

Influence de la température

Dans la page "LE FROID" nous donnons de nombreuses explications sur l'influence des basses température sur les détendeurs, leur utilisation et les précautions à prendre. Les fabriquants on beaucoup travaillé cette question depuis que la normalisation a définit les valeurs à respecter.

Nous rappelons que la norme EN250 de mai 2000 impose qu'un scaphandre autonome à circuit ouvert, conçu pour être utilisé dans une eau de température inférieure à 10°C, soit soumis à essai, dans l'état, prêt à l'emploi, dans une eau douce à la température de 4°C (+ 0 /–2°C) pendant 5 minutes, à une pression absolue  de 6 bars. Les résultats vont au delà de ces valeurs mais il ne faut pas oublier que quelque soient les précautions prises, le cumul de mauvaises conditions d'utilisation fait que le risque de givrage ne peut être exclu.

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