Brevet FR2353731A1 — publié le 19771230

La présente invention est relative à un régulateur pour pompe hydrodynamique où le régime de ladite pompe peut continuel- lement varier pour obtenir des performances également variables. On connaît plusieurs types de pompes à vitesses variables. Dans de telles pompes, la vitesse est commandée en relation avec une certaine valeur de réglage au moyen d'un régulateur. Le but de la commande peut être de maintenir à une valeur constante la pression de la pompe, le niveau dans un réservoir surélevé, le débit, etc... Dans d'autres cas, c'est une grandeur intervenant dans un processus, qui peut jouer le roule de valeur de réglage. La grandeur peut être la température dans un processus thermique, la concentration d'une certaine substance dans un processus chimique ou biologique, etc... En vue d'atteindre ou d'améliorer la stabilité nécessaire du système de commande, il est en outre connu de prendre des dispositions propres à obtenir une forte réaction de la grandeur à commander, en l'occurrence la vitesse de la pompe.Dans ce cas, on mesure d'habitude la vitesse de la pompe par voie électrique (générateur tachymétrique) ou par un procédé électrique indirect, par exemple au moyen de cellules photoélectriques et d'un disque tournant portant des plages noires et blanches. Lorsque la fonction principale de la pompe est simplement le transfert de liquide, c'est-à-dire lorsque la pression créée est accessoire, la réaction basée sur le débit d'écoulement peut fournir le moyen de stabilisation du système de commande. Dans ce cas, il y a lieu de mesurer le débit électriquement ou hydrauliquement, grâce à un élément à dérivation de pression, et sous forme de dépression dans un tube de Venturi ou pne plaque perforée. On peut également mesurer le débit au moyen d'autres types d'appareils basés, par exemple, sur un effet magnétique, capacitif ou ultrasonore. On connatt certains cas spéciaux de s stdmes de commande pour pompes rotatives hydrodynamiques à vitesse variable. Ainsi, il existe des groupes de pompage coaPaandés qui adaptent automatiquement leur régime à la demande, dans les systèmes de canalisations dans lesquels la demande est commandée par l'ouverture et la fermeture de robinets aux emplacements désirés du réseau de canalisations, Un exemple spécifique d'un tel réseau de canalisationsest un réseau de distribution d'eau potable, dans lequel la demande est commandée par l'ouverture ou la fermeture d'un ou plusieurs robinets.A cet égard, l'effet d'automaticité est obtenu à partir d'un système de commande comportant un piston qui d'une part mesure la dépression intervenant dans un petit étranglement, donc une grandeur proportionnelle au carré du débit, et qui par ailleurs subit la force d'un poids ou d'un ressort, force qui correspond à la charge statique du système de pompage, c'est-àdire à la somme des différences de charges géodésique et de chargé de pression entre les lieux entre lesquels s'effectue le transfert du liquide.Etant donné que la mesure du débit liquide dans un débitmètre avec une précision suffisante est très conteuse, ou peut être pratiquement impossible à effectuer en raison de la pollution du liquide, on a conçu des systèmes électroniques utilisant ce que l'on appelle une mesure indirecte, dans lesquels la vitesse de la pompe est mesurée électriquement, après quoi le carré du signal est élaboré électroniquement, puis électroniquement réduit suivant un coefficient correspondant à la charge statique du système. Le signal obtenu de cette manière est alors, au moins approximativement, proportionnel au carré du débit. On introduit ce signal en tant que grandeur de réaction dans le système de commande. En vue de perfectionner la boucle de réaction par une mesure indirecte, tout en réduisant en même temps le coût de tels systèmes, l'invention prévoit un régulateur pour groupe rotatif hydrodynamique de pompage de liquide et destiné à commander la vitesse de ce groupe, caractdrise en ce que, lorsque ce régulateur est en service, un signal de vitesse est converti en un signal proportionnel au débit de la pompe ou à un autre signal variant de manière encore plus étendue avec la variation du débit, en dEterminant la racine carrée ou une racine d'ordre supérieur d'une grandeur A' proportionnelle au carré de la vitesse, réduite d'un coefficient réglable entre la charge statique de la pompe et la charge de la pompe à débit zéro, le signal ainsi obtenu étant utilisé comme signal de réaction vis-a-vis de la grandeur de réglage du régulateur. Ainsi, l'invention se caractérise par une mesure indirecte de l'écoulement, dans laquelle on convertit un signal de vitesse de rotation de manière à le rendre, au moins approximativement proportionnel à l'écoulement. On obtient ainsi l'avantage important que le système de commande, tout en demeurant stable, offre une sensibilité constante même lorsque le débit est faible. Par exemple, avec le système mentionné plus haut, qui fait inter venir un signal proportionnel au carré de l'écoulement, L'amplis tude du signal sera seulement de 1 8 de son amplitude maximale lorsque l'écoulement est de 10 % de sa valeur maximale. Suivant l'invention, on obtient une sensibilité considérablement accrue en déterminant, à partir du carré de l'écoulement, sa racine carrée ou des racines d'ordre supérieur, par exemple la racine quatrième. Ainsi, suivant l'invention, l'amplitude du signal à 10 % du débit peut être par exemple de 30 % de son amplitude maximale. Une autre caractéristique est que la conversion du signal de tours par minute en débit est effectuée mécaniquement ou hydromécaniquement. On va maintenant décrire brièvement la base théorique de la détermination indirecte du débit de pompage. La relation suivante s'applique au déplacement d'un débit g dans une canali sation sous une charge h : h h=h5 + kl x q2 dans laquelle h5 est la hauteur statique et kl une constante positive.A vitesse constante, la caractéristique d'une pompe rotative hydrodynamique peut être exprimée approximativement par l'équation H = - k2Q2 dans laquelle H est la charge de la pompe à vitesse constante pour un débit arbitraire, Ho est la charge de la pompe à vitesse constante pour un débit nul (seuil de saturation de la pompe), Q est le débit de la pompe à vitesse constante, k2 est une constante positive. Lorsque la valeur n de la vitesse de la pompe est variable, on obtient la relation générale suivante en utilisant des opérations d'affinité h = k3 x n2 x Ho - k4 x q2 dans laquelle h est la charge de la pompe pour la vitesse n et le débit q, g est le débit de la pompe pour la valeur n de la vitesse, k3 et k4 sont des constantes positives. Pour un fonctionnement donné, la charge de la pompe est égale à la pression demandée dans la canalisation, ce qui donne hs + kl x q2 = k3 x n2 x Ho - k4 x q2 En tirant de cette relation la valeur de , on obtient l'équation suivante dans laquelle k5 est une nouvelle constante. Le perfectionnement proposé par la présente invention est dû partiellement au fait que l'on introduit la racine carrée ou des racines d'ordre supérieur conformément à la relation cidessus, et partiellement au fait que le terme négatif h Ho peut être réglé pour différentes valeurs de la hauteur o statique h5 par rapport au seuil de saturation Ho de la pompe, suivant les conditions rencontres dans toutes les installations particulières de pompage. D'autres caractéristiques d'un régulateur selon l'invention apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé qui illustre en coupe partielle ledit régulateur, à fonctionnement hydromécanique. En se reportant à cette figure, à partir d'un détecteur de vitesse (non représenté) qui peut, par exemple, être constitué par une petite pompe auxiliaire de type centrifuge connectée à l'arbre de la pompe principale, on obtient une pression de fluide proportionnelle au carré de la vitesse de cette pompe principale. Cette pression est introduite dans un conduit d'entrée 41 ot elle est à même d'agir sur la face inférieure (dans le cas de la figure) d'un clapet 42. L'autre face du clapet est repoussée par un ressort 43 dont la tension peut être réglée au moyen d'une vis 44. A partir du clapet, le liquide s'écoule via un canal 45 puis à travers un conduit de dérivation 46 pourvu d'un étranglement 47, hors du régulateur par un canal d'évacuation 48. La différence de pression entre les canaux 45 et 48 est proportionnelle à une quantité A', laquelle est à son tour proportionnelle au carré de la vitesse de la pompe principale, minoré d'un coefficient correspondant à la contrainte qui repousse le volet du clapet.Cette force peut être constante, comme représenté sur la figure, mais elle peut aussi être commandée de l'extérieur au moyen d'une rampe de came ou d'une force hydraulique. Un diaphragme 9 ou un soufflet est disposé de manière étanche entre un boîtier 10 et son capot 11, et la pression dans les deux canaux 45 et 48 agit sur les deux faces du diaphragme ou soufflet. Le diaphragme est muni d'une tige 13 isolée de manière étanche du boîtier par un soufflet 14. La force agissant sur la tige est porportionnelle à la grandeur A'. La tige 13 agit sur un levier 15 monté à pivotement dans le boîtier en 36. L'autre extrémité du levier est munie d'un élément de contact constitué par un galet 16 dont l'axe tourillonne dans le levier. Le galet fonctionne en portant sur un profil 17 fixé sur une tige 18 formant tourillon dans le boîtier en 19. Le profil de la rampe 17 correspond à la racine carrée de la grandeur A' ou à une racine de degré plus élevé. On comprendra que l'on peut utiliser toute fonction mathématique représentant une approximation des fonctions mentionnées. Le fait que la tige 18, d'après le dessin, joue le rôle de tourillon dans le sens vertical alors que le galet 16 accomplit essentiellement un mouvement horizontal, c'està-dire que les deux mouvements sont perpendiculaires entre eux, est d'une grande importance pratique pour la réduction de l'effet de la friction.S'il n'en était pas ainsi, il y aurait un risque d'autoblocage même en "position zéro". Le mouvement de la rampe est déterminé par l'équilibre des forces entre un ressort 20 et la force exercée par le diaphragme 9. Suivant une variante du palier 19, la tige 18 peut être suspendue par deux lames minces d'acier, de manière élastique et sans friction. La tige 18 est reliée à un levier coudé 21 monté à pivotement dans le boltieren.22ear une biellette 23, on peut obtenir une liaison avec un balancier 24. Le balancier est suspendu à pivotement sur une tige 25 formant tourillon dans le boîtier en 26, ou, en variante, suspendu élastiquement de la même manière que la tige 18. A son autre extrémité, la tige 25 est reliée à un dispositif de réglage (non représenté) destiné à rétablir la vitesse de la pompe. Une grandeur de réglage -ou valeur de réglageen vue de contrôle généra peut être, par exemple, définie par un signal pneumatique obtenu à partir d'un dispositif sensible, par exemple au niveau, dans un récipient de liquide.La pression pneumatique est délivrée sur la face de droite (sur la figure) d'un deuxième diaphragme 27, cependant que la face de gauche du diaphragme peut être exposée à la pression atmosphérique. Le diaphragme 27 est muni d'une tige 29 isolée par un soufflet 28. La force exercée par le diaphragme 27 est par l'intermédiaire d'un levier 30 dont un tourillon pivote dans le boitier en 31 opposée à celle d'un ressort 32 à l'autre extrémité du levier. Par l'intermédiaire de la tige 29, d'un levier 33 monté à pivotement en 34, et d'une biellette 35, on peut obtenir un mouvement de l'autre extrémité du balancier 24, proportionnel au signal pneumatique. Du fait que le signal de vitesse converti dans les éléments 9 à 23 et 41 à 48 du dispositif est introduit comme signal de réaction vis-a-vis du signal pneumatique, la stabilité du régulateur est augmentée. Le régulateur peut être conçu de telle sorte que le débit pompé soit proportionnel au signal pneumatique ; un instrument indiquant l'amplitude du signal pneumatique peut être étalonné en débit d'écoulement. Ainsi, on peut facilement développer le système en vue d'indiquer le volume pompé. I1 doit être bien compris que l'invention n'est pas limitée à la réalisation représentée, mais qu'elle peut varier dans de larges limites tout en restant dans l'esprit du concept de base. Ainsi, par exemple, le régulateur peut, en but ou en partie, être remplacé par des composants électroniques connus en eux-mêmes, par exemple en vue de déterminer la racine d'ordre adéquat, nécessaire pour la commande élaborée qui a été décrite. En outre, les posi- tions du clapet et de l'étranglement peuvent être interverties, une pression correspondante étant exercée sur le diaphragme 9. A titre de variante du dispositif hydraulique de "soustraction" utilisant un clapet, un ressort et un étranglement, on peut prévoir un dispositif mécanique de soustraction, si la tige 13, au cours de son mouvement vers la gauche illustrée sur la figure , se voit appli quer une force antagoniste constante, l'amplitude de la force étant réglable, par exemple au moyen d'un poids ou d'un ressort (tel 49 illustré en traits interrompus sur la figure). dont la longueur est telle que sa tension ne soit pas sensiblement modifiée. RENENDICATIONS 1. Régulateur pour groupe rotatif hydrodynamique de pompage de liquide, destiné à commander la vitesse de ce groupe, caractérisé en ce que, lorsque ce régulateur est en service, un signal de vitesse est converti en un signal proportionnel au débit de la pompe ou en un autre signal variant de manière encore plus étendue avec la variation de débit, en fournissant la racine carrée ou une racine du ordre supérieur d'une grandeur A' proportionnelle au carré de la vitesse, réduite d'un rapport réglable entre la charge statique de la pompe et la charge de la pompe à débit zéro, le signal ainsi obtenu étant utilisé comme signal de réaction visà-vis de la grandeur de réglage du régulateur. 2. Régulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le régulateur est en service, une force ou un mouvement proportionnel à la grandeur A' agit sur un levier monté a pivotement sur une partie fixe du régulateur, ce levier étant pourvu d r un élément de contact pour porter sur et provoquer le mouvement d'une surface de came ou élément similaire, présentant un profil tel que le déplacement obtenu corresponde à la détermination de ladite racine carrée. 3. Régulateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, lorsque le régulateur est en service, le déplacement obtenu par détermination de la racine carrée est orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire à la grandeur d'entrée dont on tire la racine carrée. 4. Régulateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de contact comporte un galet, monté à pivotement dans un palier. 5. Régulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le régulateur est en service, le carré de la vitesse est converti en pression dans un liquide en cours-d'écou- lement, cette pression agissant sur une face d'un clapet par un conduit d'entrée, l'autre face du clapet étant soumise à une force réglable, cette face soumise à contrainte étant reliée à un conduit de dérivation muni d'un étranglement et conduisant vers un conduit d'évacuation, en suite de quoi, la pression du côté contraint du clapet devient proportionnelle à une grandeur A', laquelle est définie par le carré de la vitesse diminué d'un coefficient qui correspond à ladite force. 6. Régulateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un ressort ou un poids pour créer ladite force réglable. 7. Régulateur suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que, lorsque le régulateur est en service, la pression sur la face contrainte du clapet et la pression dans le conduit d'évacuation agissent de chaque côté d'un éliment élastique disposé dans une chambre étanche, l'élément élastique se prolongeant au dehors de la chambre au moyen d'une tige élastique montée de manière étanche, en suite de quoi la force agissant sur la tige devient proportionnelle à la quantité A'. 8. Régulateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément élastique est réalisé sous forme d'un diaphragme.