Brevet FR2098179A1 — publié le 19720310

2Q98179 La présente invention concerne les éléments fluidiques et plus particulièrement un tel élément fournissant sélectivement plusieurs types de sortie. La porte fluidique de l'invention peut être utilisée comme semi-additionneur passif fournissant au moins une sortie OU EXCLUSIF et au moins deux sorties ET. Dans les systèmes de communication ou autres recevant un signal analogique d'entrée, il est nécessaire de convertir ce signal en forme numérique avant que l'information puisse être traitée par la logique du système. Le signal numérique est généralement donné en forme binaire, octale ou décimale. Le signal d'entrée est ensuite traité pour effectuer les fonctions logiques nécessaires et commander le système. Lorsque le signal analogique d'entrée d'un système est un signal de tension à variation continue, la conversion en un signal numérique est relativement simple. Les circuits électroniques modernes, tels que les discriminateurs et les filtres, détectent efficacement les niveaux de tension particuliers et fournissent des bits d'information correspondants. Par contre, si le signal analogique d'entrée est un signal fluidique à variation de pression continue, l'emploi de circuits logiques électriques nécessite la conversion analogique du signal fluidique en un signal analogique, puis l'emploi de discriminateurs pour la conversion électrique en forme numérique . Dans les applications où la logique de commande doit fournir des signaux fluidiques de sortie, il est nécessaire de reconvertir la sortie électrique du système en un signal fluidique proportionnel. Le remplacement de la logique et des discriminateurs électroniques par des dispositifs fluidiques correspondants permet d'éliminer le besoin de convertir les signaux d'entrée de la forme analogique fluidique à la forme analogique électrique et de convertir les signaux électriques de sortie en signaux fluidiques. Une telle solution est non seulement avantageuse sur le plan économique, mais l'encombrement de l'ensemble du circuit de commande est sensiblement réduit et sa fiabilité bénéficie de l'élimination des deux opérations de conversion. 71 24534 2 2098179 Malheureusement, les dispositifs fluidiques actuellement disponibles sont relativement peu efficaces pour de telles opérations de discrimination et de filtrage et l'on a généralement recours a des solutions électroniques élaborées qui donnent 5 de meilleurs résultats, malgré les deux opérations de conversion, que des dispositifs fluidiques complexes et peu fiables. La présente invention a donc pour objet un discrimina-teur fluidique de signaux de pression variable capables d'effectuer une conversion analogique-numérique sur de tels signaux 10 fluidiques. Un tel dispositif permet d'éviter le recours à des composants électroniques et de réaliser un système complètement fluidique. Cette solution est particulièrement avantageuse lorsque le système doit travailler à haute température, à proximité de sources de radiations intenses ou lorsqu'il est soumis k des 15 chocs et à des vibrations. Ces conditions ambiantes sont en effet particulièrement néfastes pour les dispositifs électroniques mais n'ont aucun effet sur les dispositifs fluidiques. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un dispositif fluidique comprend une cavité dans laquelle dé-20 bouchent deux entrées fluidiques disposées de manière que les axes de leurs jets respectifs soient sensiblement perpendiculaires.La cavité comprend trois orifices de sortie en aval de ces deux orifices d'entrée. L'un des trois signaux de sortie apparaît sélectivement à l'un de ces orifices en fonction de 25 l'état relatif des deux signaux d'entrée. Un premier signal de sortie apparaît lorsque l'un des jets est présent et l'autre absent. Un second signal de sortie apparaît lorsque les deux jets sont appliqués avec des vitesses sensiblement égales. Un troisième signal de sortie apparaît lorsque les deux jets sont 30 simultanément présents,mais avec des vitesses sensiblement différentes . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels : 35 La figure 1 est une vue en plan du dispositif de la pré sente invention. 71 24534 3 2098179 La figure 2 illustre le fonctionnement du dispositif de la figure 1 lorsqu'il reçoit uniquement son premier jet d'entrée . La figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif de 5 la figure 1 lorsqu'il reçoit son second jet d'entrée. La figure 4 illustre le fonctionnement du dispositif de la figure 1 lorsqu'il reçoit simultanément ses deux jets d'entrée à des vitesses sensiblement égales. La figure 5 illustre le fonctionnement du dispositif de 10 la figure 1 lorsqu'il reçoit simultanément ses deux jets d'entrée à des vitesses sensiblement différentes. Pour simplifier la description, les mêmes références sont utilisées sur toutes les figures et seules les références mentionnées dans la description correspondante sont portées sur 15 chaque figure. Le dispositif logique fluidique de la présente invention peut être réalisé en n'importe quelle matière rigide non poreuse, telle que le^erres, les céramiques, les matières plastiques et les métaux. Le dispositif est formé d\ine base dans laquelle sont 20 moulés ou taillés les passages voulus, et d'un couvercle étanche au fluide. Le couvercle peut être fixé sur la base de différentes manières, par exemple au moyen d'un adhésif, de vis, de pièces de fixation, etc. Pour la clarté de l'illustration, les figures 1 à 5 représentent un dispositif dont le couvercle est 25 en verre. Il va de soi que le couvercle peut être en n'importe quelle autre matière rigide et non poreuse, mais ce choix améliore la clarté de l'illustration en évitant la présence toujours gênante des lignes de coupe. Le dispositif de l'invention est basé sur plusieurs phé- 30 nomènes d'écoulement fluide et notamment sur l'effet "Coanda", cinetiques la conservation des moments/et l'attachement aux aretes aiguës. L'effet Coanda qui est également appelé phénomène"d'attachement aux parois", apparaît lorsqu'un jet de fluide passe devant une paroi. Un fluide ambiant est emprisonné entre le jet et la paroi 35 et on constate une réduction de pression dans la région d'entraînement. La turbulence augmente le débit de fluide entraîné et la pression différentielle qui en résulte transversalement 71 24534 4 2098179 par rapport au jet^tend à le faire s'approcher de la paroi. Plus le jet s'approche de la paroi, plus le déséquilibre des forces est grand. Des effets de réaction amènent rapidement le jet à un 5 état stable dans lequel les pressions différentielles s'annulent et qui correspond à un état d'équilibre. Cet état stable correspond au moment où la force de répulsion exercée par la paroi sur le jet devient égale au déséquilibre des forces. Le jet est alors si proche de la paroi et les forces qui s'exer-10 cent sur lui sont si importantes que l'on peut considérer qu'il est effectivement "attaché" à la paroi. Pour rompre cet attachement, il faut perturber l'équilibre établi au point de provoquer une séparation du jet. Au fur et à mesure que le point de séparation se déplace le long de la paroi, on peut dire que le jet 15 se "détache" d'elle. Le second phénomène d'écoulement fluide, c'est-à-dire cinétiques, le principe d'échange des moments/ correspond à la rencontre de deux jets de fluide réagissant l'un sur l'autre. Chaque jet a un certain moment cinétique fonction de sa vitesse et de sa 20 masse. Au point de rencontre, chaque jet dévie la trajectoire de l'autre. Les jets s'additionnant vectoriellement, il est évident que lorsque l'angle d'intersection est supérieur à 90®, un jet a une composante d'opposition à l'autre jet. Les deux jets ont donc tendance à s'annuler l'un l'autre dans une mesure 25 qui dépend de l'angle d'intersection. L'opposition des deux composantes de jets peut également renforcer la turbulence qui accélère la dégénérescence du jet résultant. Cependant, si les jets se coupent sous un angle égal ou inférieur à 908, leurs composantes sont additives. De ce fait, 30 le jet unique résultant a une pression totale dépendant de la pression de chacun des deux jets. L'orientation relative du jet résultant par rapport aux jets initiaux est une fonction connue de leurs vitesses relatives. Par exemple, si les deux jets sont perpendiculaires l'un à l'autre et approximativement soumis aux 35 mêmes pressions, leurs vitesses seront égales car ce sont des fonctions directes des pressions, et le jet résultant sera orienté à 135fi de chacun des deux jets d'entrée. Si l'une des entrées 71 24534 5 2098179 est à une pression supérieure à celle de l'autre, son jet a une vitesse supérieure, de sorte que le jet résultant subit une déviation plus importante par rapport à la direction initiale du jet le plus lent. 5 Le dispositif particulier 1GC représenté figure 1 comprend un premier orifice d'entrée de fluide ou passage 101 et un second orifice d'entrée de fluide ou passage 102 qui sont reliés à des sources de pression fluides indépendantes (non représentées). Ces sources délivrent sélectivement un fluide sous pression en 10 fonction d'états du système. Les entrées 101 et 102 communiquent respectivement avec des ajutages 104 et 105 qui sont sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. Les ajutages servent à produire un jet de fluide lorsqu'une pression est présente à l'orifice d'entrée associé. 15 L'action des jets à l'intérieur du dispositif est fonc tion de sa géométrie interne dont les dimensions réelles ne sont pas particulièrement importantes. De ce fait, il est préférable de décrire sa géométrie en dimensions relatives, la largeur b des ajutages 104 et 105 étant prise comme unité. La longueur de 20 la paroi 107 est approximativement comprise entre b et 4b. Elle se raccorde à une paroi 108 dont le rayon R est d'environ 2b. La paroi 111 a une longueur approximativement égale à b. La paroi 112 a une longueur comprise entre environ 10 et 15b. L'angle a de la paroi 112 qui aboutit au récepteur 114 et au conduit 25 11S doit être compris entre environ 0 et 302. L'angle ô de la paroi 110 qui aboutit au récepteur 125 et au conduit 120 est d'environ 75® et l'angle p du passage menant au récepteur 126 et au conduit 121 est d'environ 302. Les lignes d'écoulement de la figure 2 représentent le 30 trajet que suit dans le dispositif 100 le jet issu de l'orifice 101, lorsqu'il est seul. Ce jet sort de l'ajutage 104 et suit la paroi 107 à laquelle il s'attache par effet Coanda. Après la paroi 107, le jet est dévié par la paroi courbe 108 qu'il quitte k l'arête 109 après avoir été orienté,d'une manière générale, vers 35 le bas. Le jet poursuit son trajet dans cette direction en divergeant un peu sous l'effet de la légère augmentation de pression qui résulte de l'écoulement en retour dans la région de 71 24534 6 2098179 circulation. Le jet est à nouveau dévié par la paroi 112, puis il arrive à l'orifice récepteur de sortie 114 qui est relié au conduit 118. La présence de fluide sous pression dans le conduit 5 118 représente une fonction OU EXCLUSIF, dans ce cas la présence d'un écoulement de l'orifice 101 et l'absence d'un écoulement de l'orifice 102. Les effets de charge ou de mauvaise adaptation des impédances du système qui pourraient provoquer une contre-pression au niveau de l'orifice récepteur 114, sont éliminés par 10 la présence d'un évent 117 qui est relié à la pression de référence du système (par exemple à l'atmosphère ou à un réservoir de retour de fluide). La figure 3 représentée trajet que suit un jet sous pression,issu de l'orifice d'entrée 102, en l'absence d'un écou-15 lement de l'orifice d'entrée 101. L'effet Coanda décrit plus haut provoque l'attachement du jet de l'ajutage 105 à la paroi 111. Le jet qui suit la paroi 111 reste attaché à la paroi 112 et aboutit à l'orifice récepteur 114. Dans ce cas également, la présence d'une pression de fluide dans le conduit 118 repré-20 sente une fonction OU EXCLUSIF indiquant la présence d'un écoulement de l'orifice 102 et l'absence d'un écoulement de l'orifice 101. Là encore, 1'évent 117 évacue l'excédent de pression en cas de surcharge pour maintenir la cavité du dispositif à une pression voisine de la pression atmosphérique ou de la pression 25 du réservoir de retour, de façon à conserver l'intégrité du jet dans toutes les conditions de charge. L'orientation du jet résultant de la présence simultanée des deux entrées dépend initialement de l'effet d'échange de moments. Comme le montre la figure 4, si des jets sont simul-30 tanément émis par les deux ajutages 104 et 105, il y a interaction. Lorsque les jets ont des vitesses sensiblement égales, leurs moments cinétiques sont sensiblement égaux et le jet résultant fait un angle d'environ 135e avec chacun des jets d'entrée . 35 A l'intérieur de la paroi courbe 108 se crée une poche dans laquelle la circulation du fluide est entretenue par le mouvement du jet résultant. Cette circulation crée une zone de 71 24534 7 2098179 dépression relative dans la poche, au voisinage de l'arête aiguë 109. La valeur de cette dépression dépend de la position relative du bord du jet et de l'arête 109. Ce phénomène "d'attachement à une arête aiguë" crée une dépression et exerce une force 5 d'attraction du jet résultant au voisinage de l'arête. Le passage du jet résultant devant l'arête 109 le dévie légèrement et le fait coller à la paroi 110 qu'il suit pour aboutir à l'orifice récepteur 125 et au conduit de sortie 120. La présence d'une pression de fluide dans le conduit 120 représente une fonction 10 ET résultante de l'interaction de deux jets d'entrée simultanés ayant sensiblement la même vitesse. La figure 5 illustre le cas où les ajutages 104 et 105 fournissent simultanément des jets, le jet de l'ajutage 104 étant sensiblement plus rapide que celui de l'ajutage 105. Là 15 encore, l'interaction des jets d'entrée simultanés produit un jet résultant. Cependant, la différence des vitesses fait que le moment cinétique du jet de l'ajutage 104 est plus important que celui du jet de l'ajutage 105, de sorte que la direction du jet résultant est plus voisine de celle du jet rapide de l'aju-20 tage 104 que de celle du jet lent de l'ajutage 105. En conséquence, le jet dévié s'attache à l'arête aiguë 109 sans coller à la paroi 110, à cause de sa vitesse élevée,et aboutit à l'orifice récepteur 126 qui est relié au conduit 121. La présence d'une pression de fluide dans le conduit 121 représente une se-25 conde fonction ET indiquant la présence simultanée d'un signal à basse pression relative à l'ajutage 105 et d'un signal à haute pression relative à l'ajutage 104. Comme on l'a vu, le dispositif 100 est utilisable comme convertisseur analogique-numérique. En appliquant un signal de 30 pression constant à l'orifice d'entrée 101 et un signal de pression à variation continue à l'orifice d'entrée 102, ou vice versa, on obtient l'un des trois signaux de sortie possibles. Le signal de la sortie OU 118, le signal de la première sortie ET 120 ou le signal de la seconde sortie ET 121 constituent une re-35 présentation numérique du signal analogique d'entrée. 71 24534 8 2098179 Par exemple, si la pression de l'orifice d'entrée 102 est maintenue constante et si la pression de l'orifice d'entrée 101 constitue la variable analogique, la sortie active fournit une indication numérique de la valeur de la va-5 riable. Lorsque le rapport de pression p|^ es^ inférieur à un seuil critique A, c'est la sortie OU 118 qui est active. Lorsque la pression de l'orifice d'entrée 101 augmente, le rapport dépasse le seuil A et le signal actif passe de la sortie OU 118 à la première sortie ET 120. Si la pression de l'orifice d'entrée 10 101 augmente encore, le rapport de pression atteint un deuxième seuil critique B pour lequel la sortie active passe de l'orifice 120 à l'orifice 121 donnant une seconde indication ET. Si la pression qui est appliquée à l'orifice d'entrée 101 continue d'augmenter, le rapport de pression atteint un troisième seuil 15 critique C pour lequel la sortie active repasse de l'orifice 121 à l'orifice 118. Dans ce dernier cas, la pression du jet de l'orifice d'entrée 102 est suffisamment basse, comparée à la pression de l'orifice d'entrée 101, pour avoir un effet négligeable, c'est-à-dire que tout se passe comme si le jet de 20 l'orifice 102 était la seule entrée. Il est évident que les valeurs des seuils A, B et C dépendent du fluide utilisé, des dimensions du dispositif et des pressions. Cependant, la pression de référence qui est appliquée à l'orifice d'entrée 102 étant constante et connue, il est fa-25 cile de déterminer les pressions d'entrée à appliquer à l'orifice 101 pour obtenir un rapport de pression correspondant à un changement de la sortie du dispositif. Ce dispositif peut également être utilisé comme organe de surveillance. Lorsque l'on désire contrôler un certain état 30 d'un système produisant une pression de fluide variable, il suffit de relier l'orifice d'entrée 101 à la source en question. La vitesse du jet de l'ajutage 104 varie ainsi en fonction de la pression de la source contrôlée. Si le signal de pression qui est appliqué à l'orifice d'entrée 102 est constant et convena-35 blement choisi, il apparaît normalement une sortie dans le conduit 120. 71 24534 9 2098179 Si la pression de l'orifice 101 augmente au-delà d'une valeur prédéterminée correspondant à un rapport de pression qui dépasse le seuil critique B, le jet résultant change d'orientation et produit une sortie dans le conduit 121. Le conduit 121 5 peut être relié soit à une alarme de surpression, soit à un dispositif de réduction automatique de la pression surveillée. Si la pression de l'orifice d'entrée 101 est réduite en dessous d'une valeur prédéterminée, le rapport de pression baisse et devient inférieur au seuil critique A, de sorte que le jet résul-10 tant produit une sortie dans le conduit 118, indiquant une pression trop faible. Le conduit 118 peut être relié à une alarme de sous-pression ou à un dispositif augmentant automatiquement la pression surveillée. Bien que le dispositif de l'invention ait été décrit 15 avec une seule sortie OU et deux sorties ET, il va de soi pour un technicien que l'on peut également réaliser deux sorties OU. A cet effet, le dispositif peut être modifié de façon que la paroi 107 guide le jet attaché vers une seconde sortie OU. Cette sortie indiquerait la présence exclusive d'un jet fourni par 20 l'ajutage 104, alors que l'autre sortie OU 118 indiquerait la présence exclusive d'un jet sortant de l'ajutage 105. Le dispositif décrit à deux sorties ET ne doit donc pas être considéré comme une forme limitative de l'invention. Le dispositif peut en outre fournir trois, quatre sorties ET ou 25 plus Représentant chacune une plage particulière de rapports de pression. On conçoit cependant que lorsque le nombre de sorties augmente, la sensibilité du dispositif augmente également et réduit sa fiabilité. Cette sensibilité a l'inconvénient d'augmenter le nombre de fausses commutations sous l'effet des varia-30 tions inévitables de la pression des jets d'entrée, de la charge des sorties, etc. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra y apporter toute modification sans sortir de 35 son cadre. 71 24534 10 2098179 REVENDICATIONS 1. Dispositif logique/fluidique passif ayant deux ajutages d'entrée produisant sélectivement un premier et un second jet , une première sortie fournissant un premier signal flui-5 dique par effet d'attachement aux parois du dispositif lorsque l'un ou l'autre des jets est présent et l'autre absent, une seconde sortie fournissant un second signal fluidique dû à la résultante de l'interaction avec échange de moments cinétiques des deux jets simultanément appliqués, ledit dispositif étant 10 caractérisé en ce que les deux ajutages d'entrée sont essentiellement perpendiculaires, la seconde sortie (120, 125) ne fournissant un débit de fluide que lorsque les pressions d'écoulement des deux jets simultanément présents sont sensiblement égales, le dispositif comprenant une troisième sortie (121, 126) qui 15 fournit un débit de fluide résultant de l'interaction avec échange de moments des deux jets simultanément présents lorsque la pression d'écoulement du jet produit par le premier ajutage ( 1 04) est sensiblement supérieure à celle du jet que produit le second ajutage (105). 20 2. Dispositif logique fluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des surfaces (107, 108) déviant le premier jet de son axe normal, en l'absence du second jet, de façon à le diriger vers la première sortie (114, 118). 3. Dispositif logique fluidique selon la revendication 25 2, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre dans laquelle s'effectue l'interaction des premier et second jets, lorsqu'ils sont présents simultanément, lesdites surfaces de déviation comprenant l'une des parois (107) de ladite chambre. 4. Dispositif logique fluidique selon la revendication 30 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces de déviation comprennent une paroi incurvée (108) dont le rôle est à la fois de dévier le premier jet en l'absence du second et de positionner le jet résultant de l'interaction des premier et second jets lorsqu'ils ont des vitesses sensiblement égales, de 35 manière qu'il soit reçu par la seconde sortie (120, 125 ). 71 24534 n 2098179 5. Dispositif logique fluidique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite chambre comprend une arête aiguë en forme de point de rebroussement (109) dont le rôle est a la fois de positionner le jet résul- 5 tant de l'interaction des premier et second jets de vitesses sensiblement égales,par un effet d'attachement à l'arête aiguë, de telle manière que le jet résultant soit reçu à la seconde sortie (120, 125),et de positionner le jet résultant de l'interaction d'un premier jet sensiblement plus rapide que le second, 10 de telle manière que le jet résultant soit reçu à la troisième sortie (121, 126). 6. Dispositif logique fluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre comprend en outre une paroi (111, 112) reliant le premier ajutage (104) à 15 la première sortie (114, 115), la forme de ladite paroi étant telle que le second je~ s'y attache en l'absence du premier, ds façon à être dirigé vers la première sortie qui reçoit également le premier jet dévié en l'absence de la seconde sortie. 7. Dispositif logique fluidique selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce qu'il comprend un premier conduit de fluide (11.8) communiquant avec la première sortie pour fournir un signal fluidique OU EXCLUSIF lorsqu'elle reçoit un jet, un second conduit de fluide (120) communiquant avec la seconde sortie pour produire un premier signal fluidique ET lorsqu'elle reçoit un jet, un 25 troisième conduit de fluide (121) communiquant avec la troisième sortie pour fournir un second signal fluidique ET lorsqu'elle reçoit un' jet.