Brevet FR2113762A1 — publié le 19720630

La présente invention concerne le prélèvement de volumes connus de flui des, et leur introduction dans un courant distinet de fluide en écoulement. Le problème du prélèvement précis d'un volume défini de fluide, est bien connu de nombreux techniciens, et plus particulièrement des analystes qui ont souvent besoin, à des fins dtétalonnage, d'introduire des volume3 de référence gazeux ou liquides dans un appareil d'analyse. On connait déjà un certain nombre de réalisations dans ce domaine, mais toutes exigent un étalonnage intermédiaire pour déterminer le volume de l'enceinte dans laquelle on prélèvera le fluide. Afin de mieux situer le problème, on examinera un cas concret particulièrement délicat relatif au prélèvement d'un volume connu de gaz étalon destiné à entre ensuite introduit dans un courant gazeux.Pour apporter une solution à ce problème, il a été réalisé des dispositifs permettant à la fois d'effectuer le prélèvement d'un volume connu de gaz, et son introduction dans le courant gazeux. De tels dispositifs sont désignés par le terme générique d"'introducteur" que l'on utilisera dans la suite du texte. On connaît par exemple un introducteur qui est constitué par un robinet à carotte comportant une clé à une voie et un boisseau à deux circuits. En mettant la voie de la clé en communication avec le circuit de gaz étalon, on rem- olit celle-ei de gaz, puis en tournant la clé on emprisonne dans la voie une certaine quantité de gaz que lton peut réinjecter dans le second circuit de gaz en amenant la voie en regard des tubulures du boisseau correspondant à ce circuit. On comprend aisément que le volume ainsi prélevé ne peut être connu que par étalonnage, car la forme géométrique de la voie est par trop complexe pour pouvoir être déterminée par le calcul. Un autre dispositif connu comprend un ensemble tubulaire en verre en forme de T comportant une seconde branche latérale disposée sur la tubulure verticale ; on réalise ainsi un double circuit gazeux dans ces branches latérales Un poussoir mobile introduit dans la branche verticale est équipé de deux joints espacés de manière à définir une enceinte comprise entre les joints et la paroi du tube vertical. En ramenant le poussoir en position basse, on peut mettre cette enceinte de volume déterminé en communication avec le courant gazeux circulant dans la branche inférieure, et ainsi le remplir de gaz.En poussant le piston, on emprisonne un certain volume de gaz entre les j oints et la portion tubulaire verticale comprise entre les deux tubulures latérales ; ce volume est ensuite introduit dans le courant gazeux supérieur en continuant d'enfoncer le piston pour amener enceinte en communication avec la conduite supérieure. Cette réalisation présente le même inconvénient que celle précédemment décrite, puisqu'il est impossible de déterminer le volume de l'en- ceinte par calcul, et que l'on doit avoir recours à un étalonnage, soit par pesée de mercure, soit par l'intermédiaire d'un appareil d'analyse lui méme préalablement étalonné. De plus, l'influence des variations de température n'est négligeable ni sur le verre, ni sur la tige métallique supportant les joints. En outre, on a constaté que certains gaz, tel le gaz carbonique, provoquent le gonflement des joints utilisés, alors que d'autres gaz comme sont adsorbés par ceux-ci, puis libérés de manière imprévisible. Le but de la présente invention est de fournir un dispositif permettant de s'affranchir des opérations d'étalonnage qui sont toujours entachées d'er- reurs, dispositif dans lequel le volume se présente sous une forme géométrique simple directement calculable et susceptible dssêtre réalisée par usinage avec une grande précision. A cet effet, l'objet de ltinvention est un introducteur pour prélever des volumes connus d'un fluide et les introduire dans un fluide distinct en écoulement, constitué d'un barillet monté sur un axe, et rendu solidaire des mouvements de rotation de ce dernier. Ce barillet percé de part en part d'ouvertures, dont lXune au moins est calibrée, est enserré entre deux flasques enfilées sur le même axe que le barillets et pressées l'une vers l'autre par des moyens de serrage développant respectivement une force égale et constante. Chacune de ces flasques de serrage comporte des conduits raccordés à des orifices débouchant sur sa face appliquée contre le barillet, chaque orifice d'une face étant placé en regard de l'orifice correspondant de l'autre face. Le dispositif comprend également des moyens pour entraider l'axe en rotation, afin de pouvoir amener une ouverture du barillet en regard de chaque couple d'orifice ménagé dans les flasques de serrage. Afin de connaître et de maintenir le barillet dans la position pour laquelle la correspondance des ouvertures est réalisée, l'introducteur est équipé de moyens de vérrouillage et de repères pour situer ces ouvertures par rapport aux couples d'orifices. Lorsque les flasques de serrage et le barillet sont en métal, des flasques d'étanchéité également enfilées sur l'axe sont intercalées entre les flasques de serrage et le barillet. Dans ce cas, les flasques d'étanchéité, percées de part en part d'ouvertures, sont disposées par rapport aux flasques de serrage, pour que chaque ouverture d'une flasque d'étanchéité corresponde respectivement à un orifice de la flasque de serrage à son contact. Afin d'éviter tout déplacement relatif des flasques, celles-ci sont équipées de moyens pour les immobiliser les unes par rapport aux autres. Dans le cas où l'axe est entraSné par un moteur, il est équipé de moyens permettant à la fois de régler la position des ouvertures du barillet, et de programmer la marche du moteur de manière à amener en coincidence au moins une ouverture du barillet avec un couple d'ouverture des flasques. Ces moyens de progranaaation peuvent être fixés directement sur la tranche du barillet, ou constitués par une configuration adaptée de cette tranche. Pour permettre la coincîdence des ouvertures et des orifices, le centre de tous ceux-ci ont pour lieu géométrique un cercle de méme rayon. On comprend donc que dans le dispositif conforme à-ltinvention, on réa lise dans un disque, par usinage précis, des ouvertures de forme géométrique sim ple, dont on peut connaître le volume par calcul. Les qualités actuelles d'usinage, que ce soit par voie mécanique classique par électroérosion ou par d'autres teehniques, sont suffisamment au point pour permettre d'obtenir des volumes déterminés avec. une excellente précision0 On n'a donc plus à se sou cier de procéder à une détermination du volume par étalonnage. De plus, on peut déterminer à l'avance les volumes que l'on souhaite voir figurer sur un barillet donné.Cette forme d'introducteur en barillet autorise une grande souplesse de fonctionnement, car il est possible de réaliser une grande quantité de combinaisons de volumes connus et de cycles d'introductions. Par contre, se posait un délicat problème d'étanchéité puisque dans le cas de prélèvement de volume étalon, il était exclu d'utiliser une graisse quelconque entre le barillet et les diverses flasques. Cette difficulté a eté résolue, d'une part en enserrant le barillet sur toute sa surface entre les éléments de serrate pressés les uns vers les autres par des moyens de pression dévelotpant une force également répartie et constante, et d'autre part au moyen de flasques d'étanchéité interposees entre le barillet et les flasques de serrage lorsque celles-ci sont en métal.Ce résultat a été obtenu par une répartition régulière des efforts, et en utilisant des ressorts comprimés d'égale manière pour développer lesdits efforts. Un choix judicieux parmi les nombreux matériaux disponibles permet de réaliser un ensemble dans lequel les ouvertures du barillet peuvent être usinées avec précaution, et dont ltétanchéité peut être assurée par contact, sans avoir recours à un graissage. L'invention sera d'ailleurs mieux comprise grâce à la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des planches de dessin annexées sur lesquelles la figure 1 représente une coupe en élévation d'un introducteur de gaz la figure 2 est une vue de dessus du même introducteur la figure 3 est une coupe partielle montrant un circuit de gaz de ltin- troduction la figure 4 représente un introducteur pour liquide avec moteur d'entrai- nement, vu selon une coupe en élévation la figure 5 est une vue du dispositif programmeur pour la commande du moteur. En se reportant à la figure 1 on voit qu un introducteur 1 est constitué par l'empilement sur un axe 2 d'un certain nombre d'éléments plats. L'élément central est, dans le modèle représenté, un barillet 3 en métal à faible coef ficient de dilatation dans lequel sont percées des ouvertures cylindriques 4 (figures 2 et 3) > dont les axes sont disposés sur la circonférence d'un même cercle dont le centre coZncide avec le centre de l'axe 2. Ces ouvertures cylindriques 4 peuvent avoir des diamètres différents, donc représenter des volumes variables, soit avoir des diamètres identiques selon les besoins. De me, elles peuvent être toutes calibrées, c'est-à-dire avoir des volumes géométriquement définis avec précision, ou seulement ltune d'entre elles.Le barillet 3 comporte également une mortaise 5 dans laquelle sont engagées des broches 6 solidaires de laxe 2 de manière à le rendre solidaire des mouvements de rotation de l'axe. De part et d'autre du barillet 3 sont appliquées des flasques d'étanchéité 7a et 7b également enfilées sur l'axe 2. Ces flasques de mê- me diamètre que le barillet 3 sont réalisées en matériau plastique auto lubrifiant, tel que le P.T.F.E du commerce. Chaque flasque est également percée d'ouvertures cylindriques 8 telles que celles visibles sur la figure 3.De plus, ces flasques sont positionnées ltune par rapport à l'autre de manière qu'unie ouverture d'une flasque 7a soit située en regard d'une ouverture de l'autre flasque 7b On obtient ainsi des couples d'ouvertures. Les flasques dlétanchéi- té sont pressées contre les faces du barillet par deux flasques de serrage 9a et 9b enfilées sur l'axe 2 et débordant les flasques d'étanchéité. La flasque inférieure 9a est maintenue en place sur axe par un circlip 10 resséré sur une gorge 11 visible plus bas. Les deux flasques de serrage 9a et 9b sont pres sées l'une vers 1autre par des moyens de serrage constitués par des chandel- les 12 traversant les deux flasques dans la zone débordant les flasques d'étanchéité et le barillet.Chaque chandelle presse la flasque 9b vers la flasque 9a par l'intermédiaire dtun ressort 13 emprisonné entre une coupelle 14 et une cavité 15 usinée dans la flasque 9b. On peut voir sur la figure 2 que l'introducteur est équipé de trois chandelles de manière à obtenir une répartition uniforme de la force de serrage. De plus, en utilisant des ressorts calibrés et un serrage au moyen dtune clé dynamométrique, on réalise un serrage régulier et constant qui permet dtobtenir l'étanchéité entre les flasques 7-9 et le barillet 3. On notera que les flasques 9a et 9b comportent une bague centrale 14 pour faciliter les mouvements de l'axe 2. Les flasques 9a et 9b comprennent également, ménagés dans leur épaisseur, des circuits de fluides constitués de raccords 15a, 15b, de conduits 16 et d'orifice 17a, 17b, débouchant sur la face interne des flasques de serrage (figure 2). Les flasques 9a et 9b sont disposées de telle sorte que les orifices 17 se trouvent en regard des ouvertures cylindriques 8 ménagées dans les flasques d'étanchéité 7.Dans l'exemple Drésenté, l'introducteur est équipé de trois circuits de fluides A, B, C (figure ). Enfin, les flasques 7 et les flasques 9 sont immobilisées les unes par rapport aux autres au moyen de pions 18 par tiellement engagés dans chacun de ces éléments. Laxe 2 est maintenu en place par une douille 19 sur laquelle il prend appui par l'intermédiaire d'un épau- lement 20. Un levier 21 fixé sur l'axe 2 permet de communiquer à ce dernier un mouvement de rotation transmis au barillet 7 de façon à pouvoir amener les volumes géométriques 4 en regard des ouvertures 8 des flasques d'étanchéité 7.Pour repérer et définir la position des ouvertures 4, la flasque 9b est équipée d'un pointeau à ressort 22 dont la partie supérieure tronconique vient sren gager dans une alvéole portée par la partie horizontale de la douille 19. Lorsque le nointeau est engamé dans une alvéole, le barillet est en position correcte, et il acparait dans le regard 23 un repère correspondant à une ouverture du barillet 5. On remarquera (figure 5) que les ouvertures 4 ménagées dans le barillet sont également essayées, et que cet espacement correspond à celui des ouvertures des flasques 4, de sorte que pour chaque position du barillet une ouverture de celui-ci se trouve en regard de chaque ouverture des flasques de serrage, et par conséquent du conduit de fluide (figure 2). On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif dans un cas concret qui consiste à introduire dans un gaz vecteur un volume connu dtun gaz étalon. On branche le gaz vecteur par exemple sur le circuit A. le gaz traverse la flasque 9b à travers le conduit 16, l'orifice 17a, puis la flasque d'é tanchéité supérieure par l'ouverture 4, l'ouverture calibrée du barillet, 1' ou- verture 4 de la flasque d'étanchéité inférieure, l'orifice 17b de la flasque de serrage 9a et ressort par le raccord 15b. Le gaz étalon branché sur le cir cuit B suit un trajet analogue indépendant, mais à sa sortie, il est branché en série sur le circuit C. On réalise ainsi un balayage préalable de 1' ouver- ture calibrée située dans le circuit C.On comprend que 1' ouverture calibrée disposée dans le circuit B se remplit de gaz. Lorsqu' on le désire, on commu- nique au barillet 4 un mouvement de rotation par l'intermédiaire du levier 21 et l'on amène l'ouverture calibrée pleine de gaz en regard du circuit A. Le gaz vecteur entraine alors ce volume connu de gaz, et l'achemine par exemple dans un appareil de mesure. L' ouverture calibrée en cours de balayage est amenée en regard du circuit B, et une nouvelle ouverture en regard du circuit C où elle est soumise au balayage préalable. On comprend que lton peut prévoir des ouvertures ayant des volumes connus identiques ou échelonnés pour obtenir une gamme d'étalonnage complète. On peut également modifier ce programme de volume en remplaçant le barillet par un autre d'épaisseur différente. A cet effet, on a prévu dans la partie de l'axe 2 des gorges pour le circlip 10 correspondant à des épaisseurs de barillet définies. On procèae, bien entendu, à un changement des chandelles 12. Les dessins présentés montrent également que l'on peut prévoir un nom bre quelconque de circuits de fluides et faire passer des fluides quelconques dans les circuits dans la mesure où leur nature est compatible avec celle des matériaux de l'introducteur. On va maintenant décrire une variante du dispositif destiné au prélèvement de liquide corrosif, et dans lequel l'axe est en trainé par un moteur. Sur la figure 4, où l'on a représenté une vue en élévation du dispositif, on retrouve l'essentiel des organes du dispositif précédent, mais dans un autre mode de réalisation. Dans ce dispositif, tout l'introducteur est formé de matériaux plastiques résistant aux liquides corrosifs. C'est ainsi que les flasques de serrage 9a et 9b, de t que le barillet, peuvent être réalisées en P.T.F.E du commerce. De ce fait, il devient inutile de prévoir des flasques d'étanchéité, celle-ci étant obtenue par le contact direct des flasques avec le barillet. Le fonctionnement de ce dispositif est identique dans son principe à celui précédemment exposé, si ce n'est que l'axe est entrainé en rotation par un moteur 24. De ce fait, le positionnement des orifices du barillet est obtenu par l'arrêt du moteur dans une position donnée.Afin d'obtenir ce résultat, un disque porte butée 25 solidaire de l'axe est introduit sur ce dernier. Ce disque est muni à sa périphérie de butées 26 dont la position correspond à celle des ouvertures. Un palpeur tel qu'un minirupteur permet de détecter la position des butées et de commander ltarrêt du moteur. Le moteur, quant à lui, est disposé dans le prolongement de ltaxe, et fixé sur une platine 27. Dans le mode de réalisation présenté, l'ensemble est placé dans une enveloppe métallique 28. On notera également que si l'on veut éviter l'interruption des circuits de fluide pendant la rotation du barillet, on peut mettre en oeuvre des "bypasses" qui mettent momentanément le dispositif hors circuit. On remarquera que les volumes calibrés sont formés par des ouvertures cylindriques usinées dans un disque. Comme l'on sait maintenant usiner de tels volumes à une cote donnée, avec une grande précision, il devient alors faci- le de connaître leur volume, par calcul simple, mais on peut en outre les prévoir, ce qui est impossible dans les dispositifs nécessitant un étalonnage. Ceci permet de réaliser des barillets comportant des volumes déterminés par avance avec précision, ce qui est bien entendu impossible pour les dispositifs nécessitant un étalonnage. I1 est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation présent, et que l'on peut imaginer d'autres formes de réalisation et des variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention. C1 est ainsi, par exemple, que l'on peut envisager un nombre quelconque de circuits de prélèvement et plusieurs circuits de circulation de gaz de nature différente disposés sur un méme cercle ou sur plusieurs cercles concentriques. On peut également prévoir de faire subir aux fluides des traitements chimiques ou physiques en les faisant passer sur des produits appropriés introduits dans certaines ouvertures non calibrées du barillet. C'est ainsi que l'on peut les faire passer sur des résines échangeuses d'ions notamment. Il est également possible de modifier le profil des flasques et du barillet dans la mesure où lton respecte l'étanchéité des circuits de fluides sans pour autant sortir du cadre de lginvention. REVENDICATIONS I. Dispositif pour prélever au moins un volume connu d'un fluide et l'in- troduire dans un second fluide en éeoulement, caractérisé en ce qu'il comprend - un barillet monté sur un axe, ces deux éléments étant équipés de moyens coopérant pour rendre le barillet solidaire des mouvements de rotation de l'axe, le barillet étant en outre percé de part en part d'ouvertures dont l'une au moins est calibrée - deux flasques de serrage enfilées sur l'axe de part et d'autre du ba rillet, et pressées l'une vers l'autre par des moyens de serrage développant respectivement une force égale et constante, chaque flasque comportant des conduits raccordés à des orifices débouchant sur la face placée contre le barillet, chaque orifice d'une flasque de serrage étant placé en regard. de ltori- fice correspondant de l'autre flasque ; - des moyens pour entraner 1 1axe en rotation de manière à amener une ouverture du barillet en regard de chaque couple d'orifice ménagé dans les fl.as- ques de serrage ; - et enfin, des moyens pour verrouiller temporairement le barillet lorsque la concordance des ouvertures est réalisée, et repérer la position des ouvertures du barillet par rapport aux couples d'orifices. II. Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que les flasques de serrage et le barillet étant en métal, des flasques d'étanchéité sont enfilées sur l'axe et placées entre le barillet et chacune des flasques de serrage, lesdites flasques d'étanchéité étant percées de part en part d'ouvertures, et positionnées par rapport aux flasques de serrage pour que chaque ouverture d'une flasque d'étanchéité corresponde respectivement à un orifice de la flasque de serre à son contact. III. Dispositif selon la revendication II, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour immobiliser les flasques d'étanchéité par rapport aux flasques de serrage. IV. Dispositif selon les revendications J et II, caractérisé en ce que l'axe étant entraîné par un moteur, il est équipé de moyens de Programmation de la marche du moteur. V. Dispositif selon les revendications I et. Il, caractérisé en ce que l'axe étant entrainé par un moteur, les moyens de programmation sont disposés sur la tranche du barillet.