Brevet FR2142761A1 — publié le 19730202

L'invention, à laquelle ont collaboré Messieurs PSGAX-FIORXiT Bernard et CHELVEDER Roger, concerne un régulateur électronique de débit, ce débit pouvant titre électrique (intensité par exemple) ou matériel (liquide, gaz, solide, solide fluidisé, par exemple), ladite régulation agissant en fonction d'un paramètre mesurant une grandeur physique. L'invention concerne plus particulirement, mais non limitativement, un calculateur de taux de soutirage, c'est-à-dire un appareil utilisé sur colonne à distiller en continu et réglant la température d'un plateau donné en agissant sur les temps d'ouverture d'une vanne de soutirage. L'intérêt d'un régulateur de débit, c'est-à-dire d'un appareil agissant automatiquement sur un débit en fonction d'un paramètre, n'a pas besoin d'autre démontré ; il sera explicité ci-dessous en se référant, mais à titre non limitatif, à l'etem- ple d'un calculateur de taux de soutirage. De façon plus précise, dans le susdit cas du soutirage, le problème traité par 1 invention est le suivant s lors de la distillation d'un mélange complexe de plus de deux constituants, la stabilité d'une colonne de fractionnement en continu, possédant un ou plusieurs soutirages, dépend grandement de la façon dont on peut réguler les températures des plateaux de soutirage. La colonne étant stable et les températures fixes, on peut alors obtenir des fractions d'une qualité constante. Les températures des plateaux de soutirage ne peuvent autre ajustées qu'en intervenant sur le débit de la fraction soutirée. Ceci peut ttre obtenu soit en réglant un orifice sur la ligne de soutirage (vanne à pointeau par exemple), soit en modifiant le temps de prélèvelent (vanne automatique pilotée par un chronorupteur). Mais des dispositifs de ce type sont d'un emploi assez malaisé. Il convient en effet que l'opérateur ajuste manuellement son rapport cyclique si la température vient à varier. Or, unetrès faible variation du rapport cyclique entrasse des perturbations importantes. L'invention a pour but d'éliminer ces inconvénients, et de libérer l'opérateur de l'astreinte des réglages constants et délicats indiqués ci-deagus. L'invention, dans le susdit cas du soutirage, a en conaé- quence pour obit un calculateur de taux de soutirage, c'est-à- dire un appareil qui, en fonction de la température désirée, caloule automatiquement, et avec une grande précision, son propre rapport cyclique. Il permet un fonctionnement très stable et facilite grandement la mise en régime de la colonne ainsi automatisée. Cet appareil permet également de modifier la durée du cycle à volons. En effet, dans le cas de fractions de distillat très peu importantes, il est intéressant que le cycle soit long pour augmenter la finesse du réglage. D'autre part, certains dixpo- sitifs, tels que les tettes de reflux pneumatiques, ont un temps de réponse assez long et nécessitent des durées de cycle importantes. En outre, cet appareil permet de limiter volontairement le taux de soutirage lorsque, pendant une mise on régime, l'écart est grand entre la température et la consigne. Par contre, dès que la température, en s'8levaat,implique un taux de soutirage inférieur à la limite précédente, l'appareil joue son rôle et calcule le taux de soutirage optimal. Enfin, l'appareil peut être utilisé en chronorupteur classique lorsque la colonne est employée pour une distillation en discontinu (batch). I1 suffit pour cela d'afficher - une consigne supérieure à la température désirée, - une limite au taux de soutirage, - le cycle désiré. La transposition des avantages ci-dessus indiqués dans le susdit cas du soutirage, aux avantages correspondants pour un régulateur de débit en général, est évidente pour l'homme de l'art et ne sera donc pas explicitée. Succinctement, le régulateur électronique de débit selon l'invention comprend une base de temps, une base de mesure, un comparateur et un effecteur, ladite base de temps fournissant cycliquement un signal fonction croissante du temps, ladite base de mesure fournissant un signal fonction d'un paramètre mesurant la grandeur physique considérée, ledit comparateur commandant ledit effecteur en fonction du signe de la différence entre les deux susdits signaux, et ledit effecteur commandant le passage de la totalité ou d'une partie du débit considéré. A titre non limitatif, la régulateur selon l'invention peut autre qpliqué à t - la rgulation d'un débit de courant électrique ou de fluide pour maintenir une consigne de température - la régulation d'un débit d'un fluide dans un autre pour maintenir une consigne de teneur obtenue par une mesure de pH de conductibilité électrique ou thermique. On remarquera enfin que l'appareil agit sur un organe de débit en tout ou rien (contacteur électrique de vanne) ce qui peut être gênant pour des débits importants (exemple : coups de bélier...) . On peut remédier à cet inconvénient en utilisant le régulateur de débit en dérivation sur le débit principal: on régule alors en "proportionneln sur une fraction du débit principal Dans le cas particulier d'un calculateur de taux de soutirage selon l'invention, ledit paramètre est la température du plateau de soutirage considéré, et ledit effecteur ëst sa vanne de soutirage, qui ouvre et ferme la canalisation de soutirage. L'invention, et des exécutions d'un calculateur de soutirage selon l'invention, seront décrites en se référant aux figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs - La figure 1 est un schéma-blocs de la structure d'un calculateur selon l'invention - La figure 2 est un graphe multiple, qui explique le fonctionnement d'un calculateur selon l'invention - Les figures 3, 4, 5 donnent le schéma de principe de différentes bases de temps de la figure I - La figure 6 donne le schéma d'une exécution de la base de temps de la figure 3 - La figure 7 est le schéma d'une exécution de la base de température de la figure i - La figure 8 est le schéma d'une exécution du comparateur de la figure I. Avec référence au schéma-blocs de la figure 1 : ce calculateur de taux de soutirage selon l'invention comprend essentiellement une base de temps 1, une base de température 2, et un comparateur 3 : la base de temps 1 fournit un signal T fonction croissante du temps se répétant cycliquement et de période To, et la base de température 2 fournit un signal G représentant la température du plateau considéré, au comparateur 3, et celuici, en fonction du signe de la différence (T - 3), commande l'électrovnnne de soutirage 4. Le fonctionnement de ce calculateur selon l'invention sera décrit en se référant aux graphes de la figure 2. On rappellera d'abord que, par définition, le taux de soutirage est le quotient, de la durée de soutirage t pendant un cycle de fonc tionnement, par la durée totale T de ce cycle ; le taux de o soutirage est donc un nombre sans dimensions, ce qui est une condition nécessaire pour la validité de la susdite comparaison entre T et 8. 6 Les Les graphes de gauche de la figure 2 sont tracés pour une température G1 et ceux de droite pour une autre température 62, plus grande que 61 : il est évident, sur ces graphes, que la différence (t- G) sera de signe positif pendant une durée de soutirage t, qui est (à gauche) t1 plus grande que t2 (à droite). La figure 2 montre donc l'évolution du taux de soutirage en fonction de 12 température.On remarquera qu'il n'est aucunement nécessaire que le signal T soit fonction linéaire du temps t : il suffit d'une fonction croissante, se répétant cycliquement et de période T0, ce qui simplifie la réalisation de la base de temps 1 fournissant le signal T : l'homme de l'art connait les complications que demande la linéarisation des bases de temps, qui par leurs principes suivent une loi exponentielle ; dans le cas présent, une telle forme exponentielle peut bien au contraire constituer un avantage, dans la mesure où, le signalm s'approchant de la température de consigne C, une même variation de G provoque une plus grande de variation de la durée de soutirage T c'est-à-dire rend l'appareil plus sensible. On décrira maintenant diverses bases de temps 1 convenant au calculateur selon l'invention. Avec référence à la figure 3 : cette base de temps 1 comprend une résistance 101 et un condensateur 102 en série entre les bornes d'alimentation positive 1C3 et négative 104 ; le condensateur 102 se charge progressivement, sous une tension croissante, qui est répétée par un transistor à effet de champ 1C5 sur une résistance 106 allant à la borne - et constitue ledit signal T ; ce signal T est sorti sur une borne 1C7 et il est d'autre par appliqué à un comparateur de tension 108, dont l'autre entrée reçoit une tension constante de référence, prise au point 109 commun à la cathode d'une diode 110, dont l'anode est au potentiel zéro fourni par une borne d'alimentation 111, et à une résistance 112 retournant à la borne négative 104. Le comparateur 108, lorsque la tension du signal T dépasse ladite tension de référence en 109, met en position travail un monostable 113, qui pendant la durée de son état instable, fsrme un relais 114 ; un contact travail 115 du relais 114 décharge, par une résistance 116, le condensateur 102. Ceci termine un cycle, de durée To, et un nouveau cycle recommence. On remarquera que la capacité (le condensateur 102) n'est en parallèle qu'avec l'impédance d'entrée, qui est énorme, du transistor à effet de champ 105 : ceci autorise la réali sation du circuit à constante de temps au moyen d'une résis tance élevée en 101, donc au moyen d'un condensateur relativement faible en 102 ; ce condensateur peut ainsi être d'un type très stable dans le temps, par exemple à diélectrique genre mylarO Avec référence à la figure 4 : dans cette autre base de temps 1, le signal T est appliqué à un circuit comprenant en série une résistance 121 et un condensateur 122 revenant à la borne négative 104, avec une diode 123, dont l'anode est reliée à l'entrée du transistor à effet de champ 105, et dont la cathode est reliée, d'une part au point 124 commun à la résistance 121 et au condensateur 122, et d'autre part à ltémetteur d'un tran sistor unijonction 125 alimenté entre bornes positive et néga tive 103-104 par deux résistances 126-127 Il est précisé que la constante de temps du circuit résistance 121-condensateur 122 est choisie sensiblement plus petite que la constante de temps du circuit résistance 101-condensateur 102 ; ainsi, pendant que le condensateur 102 est chargé à une tension progressivement croissante, la tension en 107, que le transistor à effet de champ 105 maintient légèrement supérieure à la tension aux bornes du condersateur 102, bloque la diode 123, et le conaen sateur 122 est chargé sous cette tension supérieure et sous une constante de temps inférieure. Mais lorsque la tension en 124 dépasse la tension de pic de l'unijonction 124, celui-ci s'a morce, et par la diode 123 décharge le condensateur 102. Cette décharge s'effectue jusqu'à ce que la tension en 124 retombe à la tension de violée de l'unijonction 124, et alors un nou veau cycle recommence. Avec référence à la figure 5 : cette base de temps ne diffère de la précédente que par l'emploi, au lieu du transistor unioonction 125, d'un transistor unidonction programmable 131. Avec référence à la figure 6, qui donne le schéma d'une exécution de la base de temps selon la figure 3 : la résistance 101 comprend un potentiomètre d'environ 5 E et.une résistance talon de 1 X -rt-; avec un condensateur 102 de 10 on obtient donc des cycles T0 de l'ordre de 5 à 30 secondes, parfaitement stables grace, comme déjà énoncé, à l'emploi en 102 d'un type de condensateur très stable. La sortie du conpa- rateur 108 est découplée par un circuit série à résistance 141 et condensateur 142 en parallèle, et par une diode 143.Le monostable 113 comprend deux transistors 144-145, couplés par une résistance d'émetteur commune 146 et par un condensateur 147 entre le collecteur du transistor d'entrée 144 et la base du transistor 145 ; le collecteur du transistor 145 attaque la base du transistor de sortie 148. Le relais 114, protégé par une diode anti-retour 149, est du type connu, à contacts 115 sous ampoule scellée, ceci assurant la fiabilité du système. On décrira maintenant la base de température 2. La mesure de la température peut bien entendu tre effectuée au moyen d'un thermocouple. Avec référence à la figure 7 s cette exécution d'une base de température 2, conçue pour travailler dans la gamme 0-3000C, comprend une sonde 200 à résistance de platine ; au cas où ia colonne à distiller où est logée la sonde 200 est éloignée de l'appareil, elle est alimentée par un générateur à courant constant (non représenté) ; ici la sonde 200 est alimentée, en série avec une résistance 201 de forte valeur, entre la borne positive 103 et la borne zéro 111, et la tension aux bornes de la sonde 200 est appliquée à une extrémité d'un pont de deux résistances 202-203 retournant à un point de potentiel de consigne réglable par un potentiomètre 204 entre une résistance réglable 205 retournant à la borne zéro 111 et une résistance 206 allant à la borne négative 104 ; le point milieu 207 du pont 203-204 est connecté à une entrée d'un amplificateur opérationnel 208, à grand gain, par exemple à gain d'environ 100, dont l'autre entrée est connectée par une résistance 209 à la borne zéro 111 ; la tension à la sortie 210 de l'amplificateur 208 est donc proportionnelle à l'écart de la tension de mesure de la température et de la température de consigne.Cet écart en 210 est amplifié par un autre amplificateur opérationnel 211, à grand gain, par exemple à gain d'environ 100, dont le signal de sortie en 212 est limité aux tensions négatives comprises entre zéro (par une diode 213) et un seuil négatif (par une diode 214) fixé par un potentiomètre 215 entre la sortie 212 et une résistance talon 216 allant à la borne positive 103; de plus, entre la sortie 212 et la borne positive 103 est connecté un condensateur 217, qui, d'une part filtre le signal 212, et d'autre part introduit dans la boucle de régulation un retard propre à éliminer un éventuel pompage dû au grand gain du sys te me (100 x 100) ; ce condensateur 217 est de forte valeur, par exemple de 2200 F ; la sortie 212 est connectée à une borne 218, sur laquelle est disponible le signal Q. Le susdit potentiomètre 204 permet de régler la température e consigne à laquelle la base de température 2 compare la température mesurée par la sonde 200 ; le susdit potentiomètre 215 permet de limiter le taux de soutirage # à une valeur T comprise entre 0 et 90;, ce oui est utile à la mise en régime de la colonne à distiller, ou lorsque lton veut utiliser le calculateur selon l'invention en chronorupteur classique. Avec référence à la figure 8 : cette exécution du coepa- rateur 3 du calculateur selon l'invention comprend un amplifica teur opérationnel 301, recevant sur ses entrées les susdits signaux en Q et en T, et commandant, en fonction du signe de Sur différence, un transistor 302 alimentant un relais 303 le relais 303 commande l'électrovanne de soutirage (non repré sensée) On décrira maintenant l'utilisation des divers réglages décrits. On se propose de démarrer une colonne de fractionnement en continu. On cornait la température à laquelle on veut travailler (teupérature d'ébullition d produit désiré). On affiche donc la température de consigne en réglant la résistance 102 (figure o). On coisit le cycle en fonction du matériel utilisé et de la fraction du distillat que l'on désire obtenir par le réglage de la résistance 101 : par exemple, une vanne pneumatique nécessite un cycle long (25 -zei nXi-s par exemple) alors qu'une électrovanne peut travailler jusqu'à 40 coups/minute donc admet une durée de cycle de 5 secondes par exemple D'autre part, dans le cas d'une faible fraction de distillat, on augmente la durée du cycle pour ne pas être tributaire du 0v et de l'inertie de la vanne (comme déjà indiqué page 2, lignes 6 à 12). Pour une mise en régime optimale on est conduit à ne pas soutirer tous les condensats de tette (ce que ferait l'appareil s'il n'y avait pas de limitation). On affiche donc en fonction du fractionnement désiré, sur le potentiomètre 215, un taux de soutirage maximum. Cette limitation cesse automatiquement lorsque l'écart de température entre la mesure et la consigne ne l'exige plus. Alors, l'appareil calcule à chaque cycle le taux de soutirage correct (comme déjà indiqué page 2, lignes 13 à 18). REVENDICATIONS 1.- Régulateur électronique de débit en fonction d'un paramètre mesurant une grandeur physique, caractérisé en ce qu'il comprend une base de temps, une base de mesure, un comparateur, et un effecteur, ladite base de temps fournissant- cycliquement un signal fonction croissante du temps, ladite base de mesure fournissant un signal fonction d'un paramètre mesurant la grandeur physique considérée, ledit comparateur commandant ledit effecteur en fonction du signe de la différence entre les deux suedits signaux, et ledit effecteur commandant le passage d'au moins une partie du débit considéré. 2.- Calculateur de taux de soutirage pour colonne à distiller constituant application du régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre est la température du plateau de soutirage considéré, et ledit effecteur est sa vanne de soutirage. 3.- Calculateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite base de temps comprend un circuit série résistancecondensateur alimenté sous tension constante, et un transistor à effet de champ attaqué par la tension aux bornes dudit condensateur, la tension de sortie dudit transistor constituant ledit signal fonction cycliquement croissante du temps. 4.- Calculateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite base de temps comprend en outre un comparateur de tension attaqué sur une entrée par ladite tension de sortie dudit transistor à effet de champ et sur son autre entrée par une tension de référence, un monostable commandé par le susdit comparateur, et un relais commandé par ledit monostable et déchargeant ledit condensateur. 5.- Calculateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite base de temps comprend en outre un deuxième circuit résistance-condensateur alimenté par ledit signal de sortie dudit transistor à effet de champ et dont 7a constante de temps est nettement inférieure à celle du premier circuit résistance capacité, une diode dont l'anode est reliée au premier condensateur et dont la cathode est réunie au deuxième condensateur, et un transistor unijonction ou un transistor unijonction programmable attaqué par ledit deuxième condensateur. 6.- Calculateur selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que la résistance dudit premier circuit résistance-condensateur est réglable. 7.- Calculateur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite base de température comprend un capteur de température dudit plateau, un amplificateur opérationnel à grand gain commandé par la différence entre la sortie dudit capteur et une tension de consigne réglable, et un deuxième amplificateur opérationnel à grand gain, dont la tension de sortie est limitée entre zéro, par une diode entre entrée et sortie, et un seuil négatif, par une diode entre entree et une tension réglable, est filtrée et retardée par un condensateur -de forte valeur, et constitue ledit signal fonction de ladite température dudit plateau.