VI - LES SURCOMPENSATIONS -

 

Table des matières

Sur compensation HP

Sur compensation Pa

 

Livre d'or

*********************************************

 

 

Les "Surcompensations"

Elles sont apparues en 2004. Mais que cache donc ce terme ? (Ce n'est pas la même chose pour tous les fabricants)

Remarques :

La compensation consiste à rendre la résultante des forces qui s'exercent sur un clapet indépendante de l'une des pressions mise en jeu. On oublie souvent de préciser de quelle pression il s'agit. (Haute Pression, Moyenne Pression ou Pression ambiante) La surcompensation, au contraire, consiste à rendre cette résultante dépendante de l'une ou l'autre de ces pressions.

- D'après SCUBAPRO, (La surcompensation HP)

Elle consiste à augmenter la pression intermédiaire en fonction inverse de la haute pression. Il en résulte une diminution du travail respiratoire en fin de plongée. Voir la figure 1. (C'est une sur compensation pneumatique des effets de la Haute Pression) Elle permet en plus d'étendre la pression de service des détendeurs à des pressions élevées, (Jusqu'à 300 bars) car la pression sur le siège augmente avec la H.P.

Pour info, tous les 1er étages compensés Scubapro sont sur compensés. La sur compensation est la légère augmentation de la pression intermédiaire lorsque la pression de la bouteille chute en fin de plongée. La pression ambiante ne prend pas part à ce phénomène.

Sur le 1er étage à piston, la tige du piston n'est pas cylindrique, une légère augmentation du diamètre de celle ci à proximité du siège HP expose une très petite surface à la HP, cette poussée s'additionne à celle du ressort pour générer la légère élévation de la MP en fin de plongée.

Sur les MK 16 et 18, à membranes, la tige du clapet HP qui est dans la chambre de compensation est d'un diamètre légèrement inférieur au diamètre de l'orifice HP, créant un différentiel de pression générant le même effet.

(On reste dans la simplicité et dans l'efficacité)

Figure 1 : Détendeur à piston surcompensé (Scubapro)

La pression d'alimentation du 2e étage d'un détendeur est égale à la Pression intermédiaire (Pi) qui lui est appliquée moins la pression ambiante (Pa). C'est ce qu'on appelle couramment la Moyenne Pression (MP).

[ MP = Pi - Pa] ou [Pi = MP + Pa]

Mise en équation

Dans le schéma ci-dessus, appelons S1 la surface du piston, S2 la surface de la buse et S3 la surface au niveau de l'épaulement de la buse.

Les forces qui ont tendance à fermer le clapet sont : (Pi x S1) et HP x (S3 - S2)

Les forces qui ont tendance à l'ouvrir sont : (Pa x S1) et Fr

A l'équilibre, on aura : (Pi x S1) + HP x (S3 - S2) = (Pa x S1) + Fr

ce qui donne : Pi = [(Pa x S1) + Fr - HP x (S3 - S2) ] / S1

d'ou Pi = Pa + Fr/ S1 - HP x (S3 - S2) / S1

Si pour simplifier, on convient que : (S3 - S2) / S1 = k1 et en remplaçant Pi par sa valeur MP + Pa

La M.P. peut s'écrire :

[ MP = Fr / S1 - HP.k1 ]
C'est l'équation de la sur compensation en fonction de la HP

Exemple : Si Fr / S1 = 10, D1 = 25 mm, D2 = 4 mm et D3 = 4,25 mm (k = 0,0033)

Pour HP = 200 bar, MP = 9,34 bar

Pour HP = 50 bar, MP = 9,835 bar

La MP a augmenté de presque 0,5 bar pour une baisse de HP de 150 bar

C'est cette augmentation de la MP qui augmente les performances du 2e étage en fin de plongée.

- D'après AQUALUNG et OMERSUB (La surcompensation Pa)

Il s'agit d'une augmentation supplémentaire de la moyenne pression en fonction directe de la profondeur, pour pallier l'augmentation des pertes de charge. (C'est une compensation des effets de la Pression ambiante Pa) C'est ce point que nous développons ici.

Les fabricants s'étaient, jusqu'ici, attachés à maintenir la MP constante pour maintenir constantes les performances du détendeur. (C'était la compensation, notamment en fonction de la Haute Pression) Malheureusement cela ne suffit pas. En effet lorsque la profondeur augmente, des pertes de charges se produisent dans les différentes parties du détendeur et notamment dans le tuyau M.P.

Il fallait donc augmenter la MP en fonction de la pression ambiante. C'est l'objet de la "Surcompensation".

Comment cela fonctionne t-il ?

Dans l'article paru dans Subaqua de juillet 2004, nous avions simplifié les calculs pour plus de compréhension. Nous présentons ici le calcul complet.

Examinons la figure 2 qui représente le schéma de principe du 1er étage du détendeur "Legend" d'Aqualung. On remarque que la surface de la membrane S1 qui reçoit la pression ambiante Pa est plus grande que la surface de la membrane S2 qui reçoit la pression intermédiaire Pi. Entre ces deux membranes règne PA la pression enfermée au montage du détendeur. (Les pressions sont des pressions absolues)

Remarque : Si l'espace entre les 2 membranes était rempli d'huile, sans le lien rigide, la pression reçue par la membrane M2 serait la même que celle de la membrane M1. En mettant une partie rigide entre les deux membranes, c'est la force qui est transmise ce qui donne une prépondérance à la membrane la plus grande. (M1)

Figure 2 : Détendeurs "Sur compensé" à membranes. (Aqualung)

Analyse statique du fonctionnement

MP = Moyenne Pression ; Pa = Pression ambiante ; Pi = Pression intermédiaire ; PA est la pression entre les deux membranes.

Rappelons que MP = Pi – Pa ou que Pi = MP + Pa

 A l'équilibre, (en expiration), le clapet est fermé quelle que soit la profondeur. La position relative des 2 membranes ne varie pas. Le volume qu'elles englobent est constant. La pression qui y règne ne varie donc pas.

 En dynamique, cependant,  elle varie légèrement car le volume généré par le déplacement de la petite membrane est plus faible que celui de la grande. Ceci uniquement en fonction du débit demandé et non pas en fonction de la profondeur. Lorsque le clapet s'ouvre, ce volume diminue légèrement. L'air contenu dans cet espace agit comme un ressort supplémentaire s'opposant au ressort principal.

Mise en équation

Si l'on considère que le 1er étage est compensé en fonction de la Haute Pression, celle-ci est sans effet sur l'équilibre des forces. Celles qui restent en jeu sont donc :

1)      (Pi x S2) qui tend à fermer le clapet.

2)      (PA x S1) qui tend aussi à le fermer.

3)      (PA x S2) qui tend à l'ouvrir.

4)     (Fr) force du ressort qui tend aussi à l'ouvrir.

5)     (Pa x S1) qui tend aussi à l'ouvrir.

L'équation d'équilibre est donc : (Pi x S2) + (PA x S1) = Fr + (Pa x S1) + (PA x S2)

d'ou : Pi = Fr/S2 + Pa x (S1/S2) + PA - PA x (S1/S2) = Fr/S2 + (Pa - PA) x S1/S2 + PA

Et puisque : (MP = Pi - Pa) ; MP = Fr/S2 + (Pa - PA)S1/S2 - (Pa - PA)

D'ou l'on tire : MP = Fr/S2+ (Pa - PA)[(S1/S2) - 1]

Si pour simplifier, on convient que : [(S1/S2) - 1] = k2

Il en résulte que :

[MP = Fr/S2) + k2(Pa - PA)]

C'est l'équation de la sur compensation en fonction de la pression ambiante

 

Interprétation du résultat

  1. (Pa – PA) est en fait la pression relative.

  2. La pression PA entre les deux membranes, étant fixe, elle n'intervient pas sur les variations de la MP. Par contre, elle agit sur sa valeur absolue.

  3. Si les membranes étaient égales, (k2= 0) on obtiendrait le même résultat qu'un détendeur uniquement compensé en fonction de la Haute Pression.

Calculs pratiques

Avec FR / S2 = 9 et k2 = 0,4.

La MP augmente donc de 0,8 bar entre 0 et 20m et de 2 bar entre 0 et 50 m

C'est cette augmentation de pression qui permet au détendeur de conserver ses performances en profondeur en dépit de l'augmentation de viscosité de l'air.

Les résultats obtenus sur le Legend d'Aqualung sont exceptionnels à cet égard puisqu'il dépasse les 80m sans pertes de performances.

Remarques sur les sur compensations :

  1. Il faut noter que la surface des membranes n'est pas seule à intervenir ; leur dureté, leur profil doit aussi être pris en considération.
  2. Cette disposition, à 2 membranes, protège aussi le détendeur contre le givrage.
  3. L'augmentation relative de la MP favorise le gonflage des bouées en profondeur.
  4. Le modèle "Oasis" de "Omer sub" est aussi sur compensé en fonction de la profondeur mais il utilise des pistons au lieu de membranes.
  5. La sur compensation en profondeur devrait permettre de supprimer le réglage de dureté du 2e étage. Celui-ci peut cependant servir à durcir le seuil de façon à limiter les risques de débit continu. (En détendeur de secours par exemple) Il semble que, pour des raisons commerciales, les fabricants ont préférés le conserver.
  6. Le piston compensé de Scubapro est auto nettoyant à l'intérieur. En effet, il ne comporte pas d'espace confiné où de l'eau ou des impuretés pourraient s'accumuler.
  7. Ces systèmes ne peuvent fonctionner correctement qu'avec des 2e étages compensés. Si ce n'était pas le cas, les variations de MP pourraient les faire passer en débit continu. On peut certes utiliser un 2e étage non compensé mais dans ce cas, il faut ajuster la dureté de cet étage en fonction de la profondeur ce qui n'est guère acceptable.
  8. Notons qu'un premier étage peut être compensé pour les variations de la Haute Pression et être sur-compensé pour les variations de la Pression ambiante. Ce sont deux choses bien différentes mais qui peuvent être utilisées conjointement.

La figure 3 représente le schéma de principe du 1er étage du détendeur "Oasis" de Omersub, on remarque que la surface S1 du piston qui reçoit la pression ambiante Pa est plus grande que la surface S2 du piston qui reçoit la pression intermédiaire Pi.

Figure 3 : Sur compensation d'un premier étage avec double piston

 

**************************************************

Livre d'or

Page précédente < LES COMPENSATIONS> Page suivante < EFFETS DYNAMIQUES >