Brevet FR2115079A1 — publié le 19720707

La présente invention concerne un amplificateur fluidique, utilisable notamment dans des dispositifs de mesure et de réglage et se composant d:un appareil à jet comportant une buse de puissance et un canal dasplration à partir duquel du fluide est aspiré par le jet de puissance sortant de la buse de puissance, et dgune chambre de mélange reliée au canal dPasplrationo On a détà proposé d'utiliser des appareils à jets comme organes de transmission dans des dispositifs fluidiques de mesure et de réglage, auquel cas les signaux de pression à combiner entre eux peuvent être introduits dans appareil à jet sous la forme d'une pression de jet de puissance9 dtune contre-pression ou d'une pression dans le canal d'aspiration.;; Des amplificateurs fluidiques, qui sont généralement utilisés comme amplificateurs pneumatiques, comportent par contre, lorsqu'2ils sont employés pour des puissances d'amplification assez grandes, des parties mécaniques massives déplacées par des membranes et contrôlant un courant d'énergie à la façon de corps d'étranglement dans des soupapes Indépendamment des inconvénients de parties mécaniques, les dimensions et les propriétés des membranes déterminent essentiellement la capacité et les propriétés statiques et dynamiques de tels amplificateurs pneumatiques. ta fabrication de ces types d'amplificateurs est par conséquent très conteuse et les dimensions ne peuvent pas dépasser des valeurs déterminées' L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des réalisations connues et de fournir un amplificateur ne comportant aucune partie mécanique en mouvement et permettant également d'obtenir des puissances d'amplification relativement élevées pour un faible encombrement L'invention est basée sur le dispositif fluidique cité initialement, qui a été proposé comme organe de transmission pour des appareils de mesure et de réglage et qui est connu sous différentes formes, à savoir comme éjecteur, injecteur, ventilateur à jet, pompe à et ou également appareil à jet- Dans la littérature technique allemande concernant le domalne des écoulements et de la thermodynamique, on a utilisé ces derniers temps 1 expression " appareil à jet " pour désigner ce dispositif Dans la suite on ne parlera par conséquent que d'un appareil à jet qui se compose d'une manière connue dune buse de puissance dun canal d'aspi- ration et d'une chambre de mélange et qui est relié d'une façon générale à un diffuseur I1 est à noter à ce sujet que appareil à jet doit autre considéré comme une buse venturi dans laquelle la différence de pression entre l'écoulement passant dans un étranglement et l'écoulement en arrière du diffuseur est utilisée pour aspirer et entraîner un liquide de réglage0 Cette différence de pression est déterminée en fonction de paramètres physiques qui sont définis par l'équation de BernoulliO Des appareils à jets connus peuvent se présenter sous différentes formes car la connexion du canal d'aspiration peut autre réalisée de différentes manières Dans la buse venturi, on arrive au canal d1aspiratio aide d'un trou radial débouchant dans la section la plus étroite t l'action d'aspiration est cependant améliorée lorsque le canal d'aspiration est agencé sous forme d'une chambre annulaire qui est placée coaxialement à la buse de puissance et qui rejoint la chambre de mélange par une embouchure qui a la forme d'une buse0 Dans l'appareil à jet, il se déroule un processus de mélangeo Un écoulement d'énergie cinétique élevée sort de la buse de puissance et les molécules de cet écoulement viennent percuter les molécules qui sortent du canal d'aspiration avec une vitesse bien plus faible Par échange d'impulsions, les vitesses différentes des deux écoulements s'égalisent dans la chambre de mélange et il ssest avéré que les processus d'écoulement et notamment le proces- sus de mélange en arrière de la buse de puissance avaient une influence déterminante sur les conditions de pression régnant dans le canal d'aspiration0 l'invention a en conséquence pour but d'influencer les proces- sus d'écoulement dans l'appareil à jet9 et notamment le processus de mélange, par un jet de commande en vue de produire dans le canal d'aspiration une variation déterminée de pression0 l'invention consiste en ce qu'il est prévu, en arrière de l'embouchure de la buse de puissance9 une buse de commande assurant l'introduction dlun fluide dont la pression correspond au signal d'entrée de l'amplificateur et en ce que le signal de sortie de l'amplificateur est appliqué au canal d9aspirationO Avec cet agencement, on obtient une diminution du rendement de l'allapreil à jet lorsque le courant de commande augmente et une augmentation de la résistance à l'écoulement dans le canal de mélange et/ ou dans le diffuseur Cela provoque une perturbation du processus de mélange et une réduction de la quantité de fluide aspiré à partir du canal d'aspiration La pression dans la chambre d'aspiration augmente par conséquent bien plus fortement que la pression dans la buse de commande de sorte qu'on obtient effet d'amplification désiré lorsque le signal d'entrée et le signal de sortie de l'amplificateur sont appliqués suivant 13invention à l'appareil à jeto Il est possible de disposer la buse de commande en différents endroits dans l'appareil à jet D'une manière particulièrement avantageuse, l'action d'amplification est renforcée lorsque la buse de commande débouche dans la chambre de mélange de l'appareil à jet. Il règne dans cette zone, notamment du fait des conditions de l'écoulement9 une pression minimale et l'amplificateur fonctionne alors à la façon d'un transistor pneumatique les turbulences engendrées avec de petites énergies dans la buse de commande augmentent considérablement la résistance à l'écoulement dans la chambre de mélange, ce qui a pour effet d'augmenter sensiblement la pression dans le canal d'aspiration.Lorsque la buse de commande est agencée de manière à déboucher en opposition à la buse de puissance dans la chambre de mélange, on peut obtenir une action rapide et efficace sur les conditions de pression régnant dans l'appareil à jet0 Pour éviter que la pression dynamique produite par la buse de puissance agisse sur la buse de commande, ce qui peut être indésirable notamment pour de très faibles pressions d'entrée, on peut avantageusement faire déboucher la buse de commande dans une position inclinée par rapport à l'axe de la chambre de mélange de forme tubulaires Dans ce cas, la buse de commande peut également déboucher tangentiellement à la chambre de mélange tubulaire, ce mode de réalisation présentant des avantages du point de vue des techniques de fabrication. On obtient un mode de réalisation particulièrement avantageux lorsque le signal de sortie est pris à un diviseur de pression qui reçoit d'une part la pression régnant dans la chambre dgaspi- ration et d'autre part une pression d'alimentation car la varia- tion engendrée par le signal entrée dans le canal d'aspiration a une influence sur le signal de sortie pour un niveau élevé de la pression0 Du fait du branchement en série du diviseur de pression, on peut déterminer à l'aide des deux résistances du diviseur de pression aussi bien le niveau que la plage de la pression pour le signal de sortie et par conséquent régler le point de travail. L'amplificateur suivant 1 'invention présente 1 'avantage important de ne pas compter de parties mobiles et également d9éli- miner les problèmes d'étanchéité de sorte qu'on obtient un amplificateur fluidique d'un fonctionnement particulièrement sûr, actionné par fluide sous pression et qui peut également être fabriqué avec des dimensions extrèmement réduites0 La fabrication de l'amplificateur suivant l'invention est en outre extrèmement simplifiée car on n'utilise pratiquement que des pièces à axes de symétries D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels les Fig. 1 et 1 a représentent des modes de réalisation de l'appareil à jet de type connu la Fig0 1 b représente la courbe caractéristique d'aspiration de cet appareil à jet les Fig. 2, 2 a et 2 b représentent des modes de réalisation de l'amplificateur suivant l'invention la Fig. 2 c représente la courbe caractéristique schématique de l'amplificateur des Fig0 les Fig. 3 et 3 a représentent un schéma de 19amplificateur comportant une résistance d'étranglement et également un circuit de commande symbolique la Fig0 3 b représente la courbe caractéristique d'amplificateur correspondante les Fig0 4 et 4 a représentent un mode de réalisation de l'amplificateur suivant l'invention associé à un diviseur de pression ainsi que le circuit symbolique correspondant les Fig0 5 et 5 a représentent un autre mode de réalisation comportant deux buses de commande, dont l'une est alimentée par la pression de sortie de l'amplificateur, les Fig0 donnant également le circuit symbolique0 les Fig. 1 et 1 a représentent deux modes de réalisation classiques de l'appareil à jet de type connu sur lequel est basée l'invention.Dans le carter 1, il est prévu une buse de puissance 2 à laquelle sont reliés le canal 3 et le diffuseur 40 le canal d'aspiration 5 débouche radialement dans le canal 3 qui constitue la section de passage la plus étroite de l'appareil à jet. La buse de puissance 2 est reliée à la pression d9alimenta- tion P et elle produit un écoulement à vitesse élevée et à faible pression statique en correspondance à l'équation de BernoulliO Dans cette plaque de faible pression se trouve le canal d'aspira- tion 5 dans lequel règne la pression daspiration T5 Par suite de la différence de pression, du fluide s::écoule du canal d'aspiré ration 5 jusque dans le canal 3 les deux écoulements se mélangent et sont amenés dans le diffuseur 4 à la pression Pg 0 La pression P g est dans de nombreux cas égale à la pression atmosphérique PO mais elle peut être supérieure à cette valeur La Fig0 1 a représente un mode de réalisation classique de l'appareil à jet se composant de la buse de puissance 2, du canal de mélange 3 et du diffuseur 4 Le canal d'aspiration 5 débouche par une partie en forme de buse dans le canal de mélange 3. Les modes de réalisation des Fig 1 et 1 a se différencient par la nature du raccordement du canal d9aspiration 5 avec le canal de mélange 30 Dans le mode de réalisation de la Fig0 1 a le canal d'aspiration 5 débouche sous forme d'un trou radial dans le canal mélange 30 Par contre, dans le mode de réalisation de la Figo 1 , le canal d'aspiration S débouche coaxialement dans le canal de mélange 3 l'embouchure est elle-meme agencée en forme de buse0 Ce mode de réalisation de la Fig0 1 permet dsobte- nir un meilleur rendement, effet d'aspiration est meilleur que dans le cas de la Fig0 1 a o La Fig0 1 b représente la courbe caractéristique d'aspiration de l'appareil à Jet et il est à noter que, lorsque la pression P v augmente dans la buse de puissance, la pression Ps dans la chambre d'aspiration diminue0 Cet effet est connu et a été décrit par l'équation de Bernoullio Un mode de réalisation de 17amplificateur suivant l'invention a été représenté sur la Fig 2 l'appareil à jet de la Flgo 1 est pourvu d'une buse de commande 6 qui reçoit la pression d'entrée PE de l'amplificateur L'orifice de sortie de la buse de commande 6 débouche dans le canal de mélange 3 Une quantité de fluide sous pression (air) qui est en relation arec la pression d'entrée PE passe dans la buse de commande 6 En conséquenceS le processus de mélange des particules sortant à grande vitesse de la buse de puissance 2 avec les particules de plus faible vitesse pénètrant par le canal d'aspiration 4 dans le canal de mélange 3 est perturbés Un écoulement de commande est établi par la buse 6 de façon à modifier la résistance à l'écoulement dans le canal de mélange 30 Du fait que cet écoulement canalisé réagit fortement à des perturbations, on peut obtenir une plus grande efficacité ( courant de commande Y, c'est à dire qu'une petite variation du courant de commande produit une grande variation de la résistance à l'écoulement0 Il en résulte que moins de fluide sous pression (air) est aspiré à partir du vdume 5 et peut être refoulé. le rendement de l'appareil à jet est par conséquent réduit La pression Ps dans la chambre d'aspiration augmente lorsque la pression d'entrée PE augmente9 la pression Ps dans la chambre d'aspiration crot. Cette relation est utilisée dans un amplificateur de pression. La Fig. 2 a représente un exemple de réalisation faisant intervenir une pénétration tangentielle du courant de commande La buse de commande 6 peut être inclinée d'un certain angle par rapport à l'axe de appareil à jet ( Figo 3 ) mais elle peut également être orientée perpendiculairement à l'axe du dit appareil ( Fig. 2 ). Sur la Fig0 2, on a indiqué la courbe caractéristique de l'amplificateur. On obtient une zone qui convient pour l'amplification de pression entre PE et P5 = PA Un autre exemple de réalisation de l'invention a été représenté sur la Figo 3. La chambre d'aspiration 5 de l'appareil à jet est reliée par l'intermédiaire dgune résistance d'étranglement 7 à la source d'énergie Pl O Dans cette résistance 7, il pénètre la même quantité de fluide sous pression dans la chambre d'aspiration que celle qui est aspirée par l'appareil à jet par l'intermédiaire du canal d'aspiration 5 lorsque la pression de sortie PA = P5 est appliquée à un appareil de mesure de pression dont la chambre d'entrée de pression est délimitée par une paroi élastique, ce qui est le cas dans la plupart des appareils. La buse de commande 6 fait un certain angle avec la direction d'écoulement ( c'est à dire avec l'axe du canal de mélange 3 )O le jet de commande sortant de la buse 6 arrive sur 17écoulement au voisinage immédiat de l'entrée de l'écoulement d'aspiration sortant du canal 5 et qui a la forme d'une lame annulaires On va maintenant expliquer d9une façon simple à l'aide de la représentation symbolique de la fig. 3 a le mode de fonctionnement de cet exemple de réalisation de l'amplificateur. L'amplificateur peut être considéré comme un diviseur de pression qui est alimenté par la source d'énergie P1 . Par l'intermédiaire de la résistance d'étranglement 7, du fluide sous pression pénètre dans la chambre d'aspiration à laquelle est prise la pression P8 considérée comme pression de sortie0 l'appareil à jet 1 muni dune buse de commande 6 sert de résistance à l'écoulement réglable 8 La courbe caractéristique de l n amplificateur de la Fig0 3 a été indiquée sur la Figo 3 b O La connexion de la chambre d'aspiré ration de l'appareil à jet à la source d'énergie P1 par lginterr médiaire des résistances d'étranglement 7 fait en sorte'que la pression de sortie A soit supérieure à celle du mode de réalisation de la Fig0 2 , comme le montre une comparaison des deux courbes caractéristiques de la Fig0 2 b et de la Fig0 3 b O Dans le mode de réalisation de la Fig0 4, la buse de commande 6 est placée au centre du canal de mélange 3 et du diffuseur 40 le jet de commande sortant de la buse 6 pénètre dans une direction opposée au sens d'écoulement dans le canal de mélange 30 En outre, il est prévu dans cet exemple de réalisation deux résistances d'étranglement 7, 9 qui sont agencées à la façon d'un diviseur de pression. La chambre d'aspiration est reliée par l'intermédiaire des résistances d'étranglement 7, 9 à la source d'énergie P1 La pression de sortie PA de l'amplificateur est prise entre ces résistances.Il est prévu qu'au moins une des deux résistances 7 soit réglable0 Elle peut par exemple être agencée sous forme d'une soupape à aiguillez En correspondance à la Fig. 4 a , ltamplificateur considéré comme un diviseur de pression comprend les deux résistances 7, 9 ainsi qu'une résistance 8 réglable par la pression d'entrée0 La résistance réglable 8 est associée d'une manière connue à lUappa- reil à jet 1 et à la buse de commande 6o Un autre exemple de réalisation a été représenté sur la Fig. 50 Dans ce cas, il est prévu une autre buse de commande 10 qui est soumise par l'intermédiaire de la résistance dcétrangle- ment ll à la pression de sortie PA de l'amplificateur La pression de sortie A est prise entre les résistances 7 et 9 comme dans le mode de réalisation de la Figo 4 Ce mode de réalisation correspond à un couplage ç lorsque la pression d'entrée PE augmente dans la buse de commande 6, la pression de sortie PA augmente inltialement comme indiqué plus haut.Cette augmentation de la pression est liée à une augmentation du courant de commande qui pénètre à partir de la buse 10 dans le canal de mélange 3 Ce second courant de commande produit, comme le courant de commande sortant de la buse 6, une augmentation additionnelle de pression PA , qui amplifie à nouveau l'écoulement de commande et ainsi de suite jusqugà ce qu'il s'établisse une condition d'équilibre qui est déterminée par la valeur des pressions Pv t P e et P et par les dimensions du dispositif.Par cet effet de couplage, la pente de la courbe caractéristique d'amplificateur est augmentée, ce qui se traduit par une augmentation du facteur d'amplification0 Une petite modification de la pression d'entrée PE est associée à une grande variation de la pression de sortie PA o En outre, il est prévu une résistance d'étranglement 12 par laquelle l'écoulement de l'appareil à jet qui sort du diffuseur 4 est déchargé à la pression atmosphérique P0. La contre pression P g à régnant en arrière du diffuseur est par conséquent supérieure à la pression atmosphérique POO Cette disposition peut par conséquent être utilisée pour augmenter le niveau de pression de l'amplificateur0 Sur la Fig. 5 a , on a mis en évidence le mode de fonctionnement de cet exemple de réalisation à l'aide d'un circuit formé de résistances. Du fluide sous pression fourni par la source deéner- gie P1 s'écoule dans les résistances 9, 7, 8 et 12 en opposition à la pression atmosphérique P0. Entre les résistances deétrangle- ment 9 et 7, il s'établit la pression de sortie PAo Celle-ci a une action positive, comme la pression d'entrée PE , sur la résistance réglable 8, ce qui signifie que la valeur de la résistance 8 augmente avec PB et PA O Entre la résistance réglable 8 et la résistance 12, il s'établit la contre-pression P g e REVENDICATIONS 1. Amplificateur fluidique, utilisable notamment dans des dispositifs de mesure et de réglage et se composant dcun appareil à jet, comportant une buse de puissance et un canal d'aspiration à partir duquel du fluide est aspiré par le jet de puissance sortant de la buse de puissance, et d'une chambre de mélange reliée au canal d'aspiration, caractérisé en ce qu::il est prévu en arrière de l'embouchure de la buse de puissance une buse de commande pour introduire un fluide dont la pression correspond au signal d'entrée de l'amplificateur et en ce que le signal de sortie de lamplifl- cateur est appliqué au canal d'aspiration 2. Amplificateur fluidique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la buse de commande débouche dans la chambre de mélange de l'appareil à jet 3 Amplificateur fluidique suivant l'une des revendications l et 2, caractérisé en ce que la buse de commande débouche à leoppo- sé de la buse de puissance dans la chambre de mélange. 40 Amplificateur fluidique suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la buse de commande débouche en faisant un certain angle par rapport à l'axe de la chambre de mélange de forme tubulaire. 50 Amplificateur fluidique suivant l'une des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que la buse de commande débouche tangen- tiellement dans la chambre de mélange tubulaire0 6. Amplificateur fluidique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal d'aspiration est soumis par l'intermé- diaire d'une résistance à une pression d'alimentation 7. Amplificateur fluidique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de sortie de l'amplificateur est pris à un diviseur de tension qui reçoit d'une part la pression régnant dans le canal d'aspiration et d'autre part la pression dlallmenta- tion 8 Amplificateur fluidique suivant lune des revendications l à 4, caractérisé en ce que le signal de sortie de l'amplificateur est également appliqué par I'intermédialre dfune autre résistance à la chambre de mélange0 9. Amplificateur fluidique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu dans l'écoulement sortant de lsappao reil à jet, de préférence à l'extrémité du diffuseur, une résistance d ' étranglement.