Brevet FR2404257A1 — publié le 19790420

Le secteur technique de l'invention est celui del'élabo- ration de mélanges gazeux. I1 est connu d'utiliser industriellement des mélanges gazeux, notamment à des fins de protection ou de réaction dans l'industrie- métallurgique notamment. C'est le cas lorsqu'on recherche la création d'une atmosphère protectrice , luttant contre l'oxydation dans des fours. I1 en est de même lorsqu'on veut créer une atmosphère à composition contrôlée, d'ailleurs variable au cours du temps, dans un traitement d'affinage d'acier, en présence de cette atmosphère constituée d'oxygène et d'argon. I1 est donc besoin de régler des compositions de mélanges gazeux, de façon éventuellement variée en fonction du temps ou d'autres paramètres et c'est précisêmment ce but que l'invention en cause permet d'atteindre, au bénéfice de la précision de traitement et de ltéconomie en gaz constituants utilisés, dont les prix de revient sont fréquemment élevés. Elle concerne à cet effet un dispositif d'asservissement du débit d'un gaz en fonction du débit d'un autre notamment, dans lequel le débit d'un gaz majoritaire est mesuré dans un débit-mètre relié à un dispositif d'asservissement à micro-processeur de traitement d'informations subissant une conversion analogique-numérique, dispositif relié par ailleurs en premier lieu à un premier analyseur alternant ses mesures sur ledit gaz majoritaire et sur un mélange de ce dernier avec un gaz minoritaire, relié en second lieu à cet effet à des- eonduites de passage dudit gaz majoritaire et dudit mélange et; en troisième lieu, à un moteur de manoeuvre d'une vanne de réglage dudit gaz minoritaire. Dans une forme d'exécution particulière d'un tel dispositif, ledit dispositif d'asservissement est relié à une entrée d'informations concernant des consignes, commandes et affichages, ainsi que tous autres agencements de traitement d'informations tels que programmateurs, claviers, mémoires et autres. I1 est également possible d'y prévoir une entréerelao tive à un analyseur secondaire établissant des mesures de concentrations dans le mélange. L'analyseur peut être lui-mEme pourvu d'un micro-FroxEvsr de sorte que les actions conjuguées des deux micro-processeurs, -d'analyseur principal et de dispositif d'asservissement peuvent aboutir à des sécurités poussées, telles qutarrêt de débit, balayage par gaz tiers ou composant neutre seul du mélange, à établir affichage simultané d'anomalie et d'alarme ou d'alarme seule, selon les cas. L'analyseur prineipal précité est avantageusement du type à oscillateur ultra-sonore et à commutation entre gaz majoritaire et mélange, faisant par comptage des oscillations dans une boucle de contre-réaction parcourue à la vitesse du son, apparKhre des impulsions dont le comptage est appliqué au micro-raoyoerslyeaurre correspondant pour déterminer un temps de comptage sur d'un nombre fixé à l'avance d'oscillations, puis, pendant le meme temps, un décomptage du nombre d'oscillations dans le mélange, ce qui permet une mesure du rapport de la variation de masse moléculaire sur ladite masse moléculaire elle-même. Bien entendu, le dispositif est applicable à des mélanges d'un rang plus élevé que binaire en nombre de constituants, par autant de mesure p de constituants moins un. I1 y a avantage à réunir en une seule première unité de groupement, proche des sources des gaz destinés à la formation du mélange, les vannes commandées de débit desdits gaz constituants, un débit-mètre et un analyseur primaire, à micro-processeur éventuellement, puis en une seconde unité de groupement, proche de l'utilisation, un dispositif d'asservissement, un système de consigne et un analyseur secondaire, avec liaison par conduit de mélange et cabales de télécommunication entre les micro-processeurs et dispositif d'asservissement et vanne, la liaison avec les utilisations en partant par une conduite de mélange, prolongement de celle qui part de la première unité de groupement précitée. La description qui va suivre, à tire d'exemple non limi tatif, en regard du dessin annexé, permettra de bien comprendre comment l'invention peut votre mise en pratique. las figures 1 et 2 montrent schéma d'une installation à asservissement de débit de l'un des composants d'un mélange de deux gaz au débit de l'autre. L'installation représentée comprend, à proximité des sources d'un gaz dit "majoritaire1, et d'un gaz dit 11minoritaire une armoire 1 de mélange dans laquelle ces gaz sont amenés respectivement par des tubes 2 et 3. Cette armoire contient, en série sur le tube 2 à gaz majoritaire, un détendeur - 4 et un passage 5 où est mesuré le débit traversant. Elle contient également une ---- vanne commandée 6 sur le tube 3 à gaz minoritaire. Ces deux tubes, en aval des organes précités, se rejoignent selon un conduit sortant 7, à mélange. Suri diindeur4 est branché un conduit 8 dit "de référent' et sur le conduit 7 est branché un conduit 9 dit "de mesure"; ces conduits 8 et 9 sont amenés à un analyseur 10 à micro-processeur qui sera décrit ci-après. A cette première armoire 1 dans laquelle se réalise le mélange est associée à distance, et à proximité du lieu d'utilisation du mélange, une seonde armoire 11 dite armoire "pilote". Cette armoire 11 rénferme un dispositif d'asservissement 12 auquel est associé second micro-processeur, auquel est également associé un analyseur final 13. Le dispositif d'asservissement 12 est relié, par une ligne de transmission 14 à l'une de ses entrées, au dispositif 15 de mesure de débit, traduisant la valeur de la mesure d'un tel débit qui est de nature analogique, en données numériques. Le dispositif d'asservissement 12 est réuni par une autze de ses entrées à une ligne 16 qui provient d'éléments non représentés de mesure de paramètres extérieurs, tels que la température ambiante, par exemple, avec transformation également des valeurs analogiques des mesures en valeurs numériques. En outre, le dispositif d'asservissement 12 est associé à un dispositif 17 d'établissement, d'affichage et de transf or- mation en données numériques des valeurs de consigne choisies. Par ailleurs, le dispositif d'asservissement 12 comprend une liaison réciproque 18 avec l'analyseur 10 de l'armoire 1, une liaison réciproque 19 avec l'analyseur final 13 de l'armoire 2 et une liaison réciproque 20 avec l'organe de commande 21 de la vanne 6 de gaz minoritaire. Bien entendu, le second analyseur 13 est relié par un branchement 22 à la conduite 7 et cette dernière mène le mélange gazeux par une rampe 23 au divers emplacements 24 d'utilisation. Le fonctionnement du dispositif ainsi décrit est alors le suivant Dans l'armoire 1, le réglage du détendeur4 détermine le régime en pression et débit du gaz majoritaire distribué. L'asservissement consiste en fonction des consignes, à déterminer avec précision une pression et un débit correspondants de gaz minoritaire par manoeuvre de la vanne 6. Pour cela, l'analyseur 10 mesure la concentration dans le mélange du gaz minoritaire. Par la liaison 18, la valeur mesurée est comparée à une valeur de consigne dans le dispositif d'asservissement 12 et le résultat de cette comparaison détermine le sens et l'ampleur de la manoeuvre que cet asservissement 12 impose à la commande 21 de la vanne 6. Dans cette armoire pilote, on trouve donc les équipements nécessaires aux commandes de l'installation, à la sélection de la concentration de consigne, ainsi qu'un afficheur indiquant les concentrations lues. On y dispose également des éléments de sécurité destinés à couper à la source les alimentations en gaz, notamment en cas de chute de pression à la distribution au-dessous d'une valeur prédéterminée. De même en ce qui concerne la composition du mélange, l'analyseur 13 final est capable de donner un ordre d'affichage d'anomalie et un déclenchement d'alarme dans le -cas où la composition s'écarterait par trop des bornes d'un intervalle de compo sition, -entre lesquelles ou à l'extérieur desquelles la fozniture de gaz mélangé deviendrait néfaste à l'utilisation, ou dangereuse sur le plan de la sécurité. Aux dispositifs d'interruption du débit d'un gaz réputé dangereux, peuvent également être associés des agencements à l'aide desquels un autre gaz est admis dans l'installation, par exemple pour balayage. Un tel balayage peut être notamment assuré aussi par le gaz majoritaire envoyé alors sous débit augmenté, alors que le gaz minoritaire, estimé dangereux, a son admission coupée. On constate alors que le dispositif ainsi décrit offre plusieurs modes de-eontrôle de la composition du mélange,à savoir: Un asservissement quasi instantané basé sur la mesure des débits relatifs ou un asservissement temporisé d'une grande précision (de l'ordre de + 0,1%) en valeur absolue sur la proportion de gaz minoritaire dans le mélange, puis une mesure directe du taux de base qui peut astre soumise à une comparaison et assuJethe à un seuil ou une fourchette, respectivement à ne pas franchir dans un sens ou dans l'autre ou à respecter soit par obligation de se tenir à l'intérieur, soit par obligation de nty pas pénétrer. La différence entre l'anomalie et l'alarme peut être déterminée en raison de ltexistence des deux analyseurs. Si l'un d'entre eux-seulement détecte une sortie des limites imposées, le micro-processeur correspondant déclenche à la fois un signal d'alarme et un signal d'anomalie. Si les deux analyseurs sont d'accord par contre, le signal d'anomalie ne paraît pas et seul est déclenché le signal d'alarme. Enfin, le ou les micro-processeurs sont organisés pour qu'en cas de panne interne; la liberté soit laisse au second analyseur 13 de déclencher directement une alarme, à lui seul. Une sécurité supplémentaire peut être établie en fonction d'une température. C'est le cas notamment lorsque le mélange gazeux redZrme au moins un composant inflammable, lors d'une utilisation notamment dans des fours métallurgiques. Lorsque la température d'un tel four descend au-dessous d'une certaine valeur (7500C par exemple) une valeur numérique d'ordre est appliquée au micro- processeur de l'asservissement 12 par la ligne 16, pour donner ordre de couper le débit du gaz inflammable, par exemple à la vanne 6. L'armoire mélangeur 1 contient des éléments connus adaptés aux débits et pressions demandés dans l'installation pour son stade actuel d'utilisation aussi bien que pour un état d'extension ulté rieur, avec choix de vannes, détendeurs et autres, effectué en fonction de la nature des gaz. Une telle installation doit être capable de variations de pressions et de débits dans des propordons de 1 à 10 et de variations de taux de mélange dans des proportions de 1 à 5. Sur le plan de l'asservissement, la concentration du gaz minoritaire dans le mélange est mesurée en faisant utilisation de valeur de la vitesse du son, grâce à un appareillage comprenant un oscillateur fluidique de nature connue. La possibilité de mesure repqse sur le fait que, le plus souvent, les constituants du mélange ont des densités différentes et que, par suite, la vitesse de transmission du son, variable avec la densité du milieu ébranlé, est fonction des proportions de la composition du mélange. Une première approche résulte de la considération d'un mélange binaire mais une telle mesure est applicable à des mélanges plus complexeS par repétition de l'analyse autant de fois qu'il y a de constituants moins un. Un tel oscillateur fluidique est en fait un amplificateur à contre-réaction, dans lequel le signal fluidique de sortie est ramené sur la commande par une ligne de contre-réactionJparcourue à la vitesse du son. Pendant le temps de transission du signal dans la boucle de contre-réaction, un jet d'alimentation de l'oscilîateur est dévié de l'une des sorties de système versl'aube. La fréquence de commutation est donc proportionnelle à la vitesse de propagation du signal dans la boucle de contre-réaction, qui est précisément la vitesse du son dans cette boucle. Le- traitement du signal se fait par comparaison de la fréquence de l'oscillateur alimenté d'une part à l'aide du gaz de référence, par le conduit 8 par exemple puis en mélange à analyser par le conduit 9. Le signal obtenu de forme carrée est en fait une série d'impulsions fournie par la ligne 18 au micro-processeur du dispositif d'asservissement 12. Ce miero-processeur est organisé pour décompter un nombre prédéterminé des périodes de 1'oscillateur fluidique en évaluant le temps passé à ce décomptage, alors que ledit oscillateur est alimenté en gaz majoritaire pur. Au bout de ce temps de décomptage,.l'oscdllateur est alimenté en mélange et le micro-processeur fait alors le décompte des signaux pendant le même temps. I1 est clair en outre que la fréquence des signaux carrés est proportionnelle au rapport à la masse moléculaire du gaz majoritaire de la variation apparente de cette meme masse moléculaire moyenne, causée par l'introduction du gaz minoritaire. Au niveau de l'analyseur 10 le micro-processeur utilisé détermine donc un temps de décompte leaas du fonctionnement de l'oscillateur sur le gaz majoritaire de référence, et utilise un mbeme temps pour faire le décompte des signaux carrés alors que l'oscillateur est alimenté en mélange, et ce nouveau décompte est simplement transféré par la ligne 18 au micro-processeur de l'asservissement 12. A ce niveau, on assure essentiellement la régulation proprement dite par la ligne 20 en partantde la mesure de débit, réglé au détendeur 4, faite au niveau du passage 5 et amenée par la ligne 14 > essentiellement par comparaison avec les valeurs de consigne et compte tenu de la ou des mesures de paramètres extérieurs - ligne 16 -. L'action sur la vanne 6 par le moteur 21 est effectuée par itérations. A chaque pas, la position de la vanne détermine une valeur de concentration de gaz minoritaire dans le mélange.Une comparaison est faite entre positions de vanne et concentrations obtenues. I1 y a possibilité d'effectuer cet asservissement par cycles couru avec l'inconvénient d'un manque de précision et l'avantage d'une rapidité élevée de réaction ou au contraire avec des cycles longs, plus précis. Pour chaque cycle, existe une valeur correspondante du nombre décompté des impulsions carrées. Les micro-processeurs utilisés sont des ensembles connus dans le secteur de l'informatique. Ils peuvent être associés de façon également connue dans cette technique avec un ou des claviers permettant le dialogue et notamment l'introduction de paramètres, introduction directe ou prélèvement en mémoire, ces dernières pouvant astre modifiées à volonté. Ils peuvent aussi être associés avec des imprimantes ou autres organes indicateurs éventuellement enregistreurs lesquels permettent de surveiller la réalisation automatique de cycles de traitement susceptibles de comporter des variations de taux de débit en fonction du temps ou de valeurs prédéterminées de paramètres extérieurs. I1 va de soi que sans sortir du cadre de l'invention on peut apporter des modifications aux formes d'exécution qui viennent autre décrites. C'est ainsi que par progression on pourrait envisager un asservissement portant sur les concentrations de constituants de mélanges gazeux en nombre supérieur à deux, par un nombre d'analyseurs et de dispositifs d'asservissement correspondant à eelui des gaz constituants diminué d'une unité. La figure 2 montre, d'une manière plus détaillée que la figure- 1, la constitution de l'armoire mélangeur 1 dans une forme d'exécution préférée. Les courants de gaz majoritaire et minoritaire amenés par les tubes 2 et 3-se mélangent dans un venturi 36 débouchant sur le conduit de sortie 7. Le détendeur 4 est un détendeur à dame piloté sous une pression de 5 bars fournie, à partir du gaz majoritaire, par un détendeur 25 à point fixe, à travers-une électrovanne 26. A la vanne 6 commandant le débit de gaz minoritaire est associé un détendeur 27 qui fixe à une valeur constante la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne 6.Cette dernière est pilotée par l'organe de commande 21 qui est un convertisseur électropneumatique transformant le signal électrique reçu par la ligne 20 en une pression de commande appliquée à la vanne 6 et élaborée à partir de gaz majoritaire à a pression de 1,4 bar délivré par un détendeur 28 à point fixe. Une vanne 29, commandée par une vanne 30, est interposée sur le tube 9 en amont de la vanne 6; cette vanne 29 et la vanne 26 mentionnée plus haut permettent d'interrompre les débits gazeux notamment lorsque la pression de gaz majoritaire vient à sortir de la fourchette admissible. L'analyseur 10 comprend un commutateur 31 auquel aboutissent les conduits 8 et 9 et qui délivre à un recopieur 33, piloté par du gaz majoritaire à pression constante issu d'un détendeur 32, un courant soit de gaz majoritaire, soit de mélange qui ressort du recopieur 33 sous une pression absolument stable et est alors dirige vers l'oscillateur fluidique 34, dont la fréquence est fonction de la nature du gaz. La fréquence sonore engendrée par l'osciliateur 34 est captée par un microphone 35 qui envoie le signal électrique correspondant à un amplificateur et au micro-proeesseur du dispositif d'asservissement 12, par la ligne 18. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'asservissement du débit d'un gaz en fonction de celui d'un autre, notamment, caractérisé par le fait qu'il comprend un débit-mètre sur un conduit de gaz dit majoritarire, conduit relié à un analyseur par une première entrée, une vanne motorisée réglant un débit de gaz dit minoritaire sur un conduit relie au conduit de gaz majoritaire, une seconde entrée d'analyseur étant branchée en aval de la jonction desdits conduits de gaz majoritaire et minoritaire, ledit débitmètre étant relié à un agencement d'asservissement à micro-processeur traitant des informations ayant subi une conversion analogique-numérique, recevant un branchement sur uh ensemble de consignes et étant relié à l'analyseur et à ladite vanne motorisée. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractériséprr le fait que l'analyseur est pourvu d'un micro-processeur propre primaire. 3.- Dispositif selon la revendication 1, ou la revendication 2, caractérisé par le fait que l'agencement d'asservissement comporte une entrée réservée à l'introduction d'au moins un paramètre extérieur. 4.- Dispositif selon 1'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'agencement d'asservissement est relié par une entrée à un analyseur secondaire, relié au conduit de mélange en amont des utilisations. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les micro-processeurs des analyseurs primaire n d'agencement d'asservissement sont reliés à des dispositifs qui appartiennent à un groupe comprenant des accessoires de la technique de l'informatique, tels que claviers, imprimantes, indicateurs, signaux d'anomalie et d'alarme, mémoires permettant le dialogue des opérateurs avec lesdits microprocesseurs et les manoeuvres de sécurité par interruption des débits gazeux sur au moins un des gaz du mélange, un balayage par un des gaz au moins du mélange ou un tiers gaz, le déclenchement de signaux simultanés d'anomalie et d'alarme en cas de désaccord entre analyseurs et d'un signal d'alarme seul dans d'autres cas et notamment variation exagérée d'un paramètre extérieur au moins, franchissement d'une borne prédéterminée de concentration d'un constituant dans le mélange, dans un sens au moins, ou déplacement par rapport à une fourchette de la ou desdites concentrations. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend une unité de groupement d'appareils, proche des sources de gaz et comprenant vannes, détendeurs éventuels, moteurs, analyseur primaire et débit-mètre, une liaison par conduit de mélange et câble de télécommunication avec une seconde unité de groupement d'appareils, proche des utilisations et comprenant agencement d'asservissement, consignes et analyseur secondaire.