Brevet FR2448746A1 — publié le 19800905

La présente invention a pour objet des dispositifs pour maintenir dans un rapport constant les débits instantanés de deux fluides et des applications à l'adoucissement des eaux et à la mesure optique de la teneur d'une eau en hydrocarbures. Le secteur technique de l'invention est celui des dispositifs de contrôle du débit des fluides sous pression. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de mélanger dans un rapport constant, un premier fluide qui circule dans un circuit primaire avec un débit variable et un deuxième fluide qui circule dans un circuit secondaire. Il faut que le rapport entre débits instantanés reste constant et donc que le débit du deuxième fluide suive très fidèlement et sans aucun retard les variations de débit du fluide primaire. On connaît déjà un appareil régulateur de débit qui est décrit dans le brevet français 1.093.901 et qui permet d'arriver sensiblement à ce résultat. Cet appareil est composé d'un équipage mobile formé de deux membranes asservies dont la première est soumise à la pression différentielle qui s exerce de part et d'autre d'un diaphragme intercalé sur la canalisation primaire et dont la deuxième est reliée à un clapet qui règle la pression du deuxième fluide. Cet appareil connu est relativement complexe du fait qu'il comporte deux membranes asservies. De plus, l'équipage mobile de cet appareil connu a une certaine inertie qui entraîne un temps de réponse non négligeable de l'appareil, de sorte que le débit instantané du fluide secondaire ne suit pas très bien les fluctuations rapides du débit principal. L'objectif de la présente invention est de procurer des dispositifs simplifiés pour maintenir dans un rapport constant les débits instantanés de deux fluides, qui circulent sous pression dans un circuit primaire et dans un circuit secondaire qui se rejoignent, quelles que soient la rapidite et l'étendue des fluctuations de débit du fluide primaire. Cet objectif est atteint au moyen d'un dispositif qui comporte - un diaphragme disposé sur ledit circuit primaire et un diaphragme disposé sur ledit circuit secondaire en amont du point de jonction des deux circuits, lesquels diaphragmes ont des orifices dont le rapport des sections est égal audit rapport constant; - et un régulateur de pression différentiel qui comporte, d'une part une chambre séparée en deux demi chambres par une membrane transversale, lesquelles demi chambres sont connectées par des prises de pression respectivement en amont de chacun des deux diaphragmes et, d'autre part, une vanne à double clapet qui est incorporée dans ledit circuit secondaire en amont du diaphragme et de la prise de pression de ce circuit, lesquels clapets sont montés sur une tige mobile solidaire de ladite membrane. Selon un mode de réalisation préférentiel, la membrane est une plaque ou un disque mobile qui coulisse axialement dans ladite chambre et qui est séparée des parois de celle-ci par un faible jeu. De préférence, la tige mobile qui relie la membrane aux clapets traverse avec du jeu la partie du corps du régulateur de pression qui sépare la chambre des clapets. L'invention a pour résultat un nouveau dispositif qui permet de mélanger deux fluides sous pression dans des proportions rigoureusement constantes, quelles que soient l'amplitude et la rapidité des variations de débit instantané du fluide primaire qui conditionnent les variations concomitantes et dans le même sens du débit instantané du fluide secondaire. On obtient, grâce à un dispositif selon l'invention, un asservissement du débit du fluide secondaire au débit du fluide primaire. Un dispositif selon l'invention permet de maintenir constamment égale les pressions qui s'exercent en amont des deux diaphragmes.Comme les deux circuits primaire et secondaire se rejoignent en aval des deux diaphragmes, les pressions aval sont constamment égales. Il en résulte que les pressions différentielles qui règnent de part et d'autre des deux diaphragmes sont constamment égales et le rapport des débits reste donc constamment égal au rapport entre les sections de passage des deux diaphragmes. Un dispositif selon l'invention trouve une application particulière dans l'adoucissement partiel des eaux. On saint que les eaux brutes contiennent des sels dissous dont la proportion est exprimée par un titre T en degré OF, par exemple le titre hydrotimétrique qui mesure la teneur de l'eau en sels de calcium et de magnésium. Les adoucisseurs permettent d'éliminer les sels en solution mais, généralement, ils éliminent la totalité des sels dissous et délivrent une eau dont le titre est voisin de zéro. Or, une eau totalement adoucie est impropre à la consommation humaine pour laquelle on recommande un titre de l'ordre de 80F. Une eau totalement adoucie est également déconseillée pour l'alimentation des circuits d'eau chaude car elle entraîne des corrosions tandis que l'eau non adoucie provoque des dépôts de tartre. Selon l'invention, pour obtenir à partir d'une eau brute ayant un titre T1, une eau partiellement adoucie ayant un titre T, on divise le circuit d'eau brute en deux circuits, un circuit primaire équipé d'un détendeur qui abaisse légèrement la pression et d'un adoucisseur qui délivre une eau complètement adoucie et un circuit secondaire qui ne traverse pas L t adoucisseur. On mélange ensuite l'eau des deux circuits en utilisant un dispositif selon l'invention qui permet de maintenir constant le rapport du débit primaire dl au débit secondaire d2. Le titre T obtenu à la sortie après avoir mélangé un débit dl de titre nul et un débit d2 de titre Tl est T E Ti . d2 d'où dl = T .T1-T Connaissant le titre T1 de l'eau brute, on obtient donc facilement une eau partiellement adoucie ayant un titre T en utilisant un dispositif selon l'invention dans lequel la section Si de l'orifice du diaphragme placé sur le circuit primaire et la section 52 de 11 orifice de diaphragme placé sur le circuit secondaire sont dans le rapport Si ~ T1 - T S2 - T Une autre application des dispositifs selon l'invention est le changement de sensibilité des capteurs de concentration d'une solution qui présentent un seuil maximum de mesure.Dans ce cas, un dispositif selon l'invention permet d'ajouter à la solution une proportion bien déterminée d'une eau de dilution pure et de réduire la concentration de la solution qui traverse le capteur pour la ramener dans la plage de mesure. Une application particulièrement intéressante est la mesure de la teneur en hydrocarbures de l'eau, notamment de 11 eau de déballastage des navires pétroliers, au moyen de capteurs d'opacité optiques,d'un type composés d'une source de lumière et d'un récepteur photo-électrique disposés en regard l'un de l'autre, de part et d'autre d'une conduite dans laquelle l'eau à contrôler circule. Ce type de capteurs a une réponse parfaitement li néaire pour des teneurs en hydrocarbure inférieures à 1200 mg/l. Au delà, la linéarité disparaît et ce type de capteurs ne peut plus être utilisé. Un dispositif selon l'invention associé à un tel capteur permet de diluer l'eau contenant les hydrocarbures avec de l'eau de dilution propre et de diviser par dix la teneur en hydrocarbures de l'eau qui traverse le capteur de mesure. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention et des applications de celui-ci. La figure 1 est une coupe axiale d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est un exemple d'application d'un dispositif selon l'invention à l'adoucissement partiel de lteau. La figure 3 est un exemple d'application d'un dispositif selon l'invention en association avec un capteur de concentration d'une solution. La figure 1 représente un premier circuit 1 dit circuit primaire ou circuit directeur dans lequel un premier fluide circule sous une pression P1. Le débit instantané du fluide 1 peut varier rapidement entre zéro et un débit maximum qui dépend du nombre d'utilisateur 3 qui sont alimentés par le circuit à chaque instant. La figure 1 représente un deuxième circuit 2 dit circuit secondaire dans lequel un deuxième fluide circule sous une pression P2. La pression P2 est légèrement supérieure à la pression Pi de telle sorte que le fluide secondaire puisse pénétrer dans le circuit primaire et se mélanger au fluide primaire. Les deux circuits 1 et 2 se rejoignent en un point de jonction 4. Le problème à résoudre est d'obtenir à l'aval du point 4 un mélange de deux fluides dans lequel les proportions relatives de chacun des fluides restent rigoureusement constantes à tout moment, quelles que soient les fluctuations du débit total et la rapidité de ces fluctuations. Le circuit 1 comporte un diaphragme D1 et le circuit 2 comporte un diaphragme D2 qui sont placés tous deux à une très faible distance en amont du point de jonction 4. On désigne par Si la section de l'orifice du diaphragme D1 et par S2 la section de l'orifice du diaphragme D2. Sl Le rapport des sections S2 est choisi égal au rapport constant que l'on cherche à obtenir entre les débits instantanés dl et d2 du fluide primaire et secondaire. Un dispositif selon l'invention comporte un régulateur de pression qui est composé d'un corps 5, par exemple un corps cylindrique d'axe x xl, qui est formé par exemple de deux parties 6a et 6b assemblées entre elles avec interposition d'un joint d'étanchéité 6c. Le demi corps 6a délimite une chambre 7 qui est divisée en deux demi chambres 7a et 7b par une membrane transversale 7c. La membrane 7c peut être une membrane déformable élastiquement qui est fixée par sa périphérie à la paroi latérale de la chambre 7. Selon un mode de réalisation préférentiel qui est représenté sur la figure 1, la membrane 7c est une plaque mince, en forme de disque, qui est séparée de la paroi latérale de la chambre 7 par un très faible jeu, de sorte qu'elle peut coulisser axialement dans ladite chambre sans aucun frottement sur les parois et sans que des forces élastiques viennent s'ajouter ou se retrancher à la poussée qui s'exerce sur le disque l'orsqu'une différence de pression s'exerce sur les deux faces du disque 7c. En effet, l'expérience montre que la membrane 7c n'a pas besoin d'être étanche car lorsqu'une différence de pression apparaît entre les deux faces, elle donne naissance à une poussée instantanée sur le disque qui apparaît avant que les pressions de part et d'autre du disque n'aient le temps de s'égaliser par la légère fuite qui se produit à la périphérie du disque 7c. L'une des demi chambres par exemple la demi chambre 7a est connectée par une conduite de faible diamètre 12, en un point du conduit primaire 1 situé en amont du diaphragme D1. Le demi corps 6b délimite une deuxième chambre 9 qui comporte une entrée de fluide 14 et une sortie de fluide 15, connectées au circuit secondaire 2. La sortie de fluide 15 communique avec la demi chambre 7b par une conduite de faible diamètre 13. Les conduites 12 et 13 sont des prises de pression qui permettent d'appliquer de part et d'autre du disque 7c les pressions qui règnent en amont des deux diaphragmes D1 et D2. La chambre 9 contient deux sièges coniques coaxiaux lOa et 10b et deux clapets coniques 11a et 11b qui contrôlent le débit s'écoulant de l'entrée 14 vers la sortie 15. Les deux clapets lia et Ilb sont montés sur une tige mobile 8 solidaire du disque 7c. La tige 8 traverse le demi corps 6b dans un alésage 16 qui la guide. On notera qu'il n'est pas nécessaire que le passage de la tige 8 à travers l'alésage 16 soit étanche puisque la même pression s'exerce aux deux extrémités de l'alésage 16. Selon un mode de réalisation préférentiel, il y a un jeu entre la tige 8 et les parois de l'alésage 16, de telle sorte qu'aucun frottement ne s'exerce sur la tige. Ce jeu peut même remplacer la conduite 13 pour transmettre à la chambre 7b la pression en amont du diaphragme D2. Le fonctionnement est le suivant. Les pressions à l'aval des deux diaphragmes D1 et D2 sont les mêmes puisque les deux circuits se rejoignent au point 4. Si les pressions en amont des deux diaphragmes sont également les mêmes, le rapport entre les deux débits instantanés est égal au rapport entre les sections des orifices de passage des deux diaphragmes. Partant d'un point d'équilibre des pressions et donc des débits, on suppose que le débit du fluide secondaire devienne trop fort, c'est-à- dire que la pression en amont du diaphragme D2 dépasse la pression P1. Dans ce cas, la différence de pression qui s exerce aussitôt sur les deux faces du disque 7c repousse celui-ci dans le sens qui ferme les clapets Ila et 11b jusqu a ce que le disque 7c s'immobilise lorsque les pressions en amont des deux diaphragmes sont redevenues égales. La figure 2 représente l'application d'un dispositif selon l'invention dans une installation d'adoucissement d'eau potable ou industrielle. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères sur les deux figures. Le repère 17 représente la canalisation d'arrivée d'eau brute qui se divise en deux circuits, un circuit primaire 1 et un circuit secondaire 2. Le circuit primaire comporte un détendeur 18 qui abaisse légèrement la pression, de sorte que la pression Pi dans le circuit primaire est inférieure à la pression P2 dans le circuit secondaire. Le circuit primaire comporte, en outre, un adoucisseur 19 qui délivre de l'eau totalement adoucie, c' est-à-dire de l'eau ayant une dureté pratiquement nulle. Le problème à résoudre est d'obtenir à l'utilisation 3 une eau moyennement adoucie, c' est-à-dire de l'eau ayant une dureté T par exemple une dureté de 80F. Pour cela, on utilise un dispositif de mélange des circuits primaire et secondaire conforme à la figure 1 comporte deux diaphragmes D1 et D2 et un régulateur de pression 5. Soit Sl et S2 les sections de passage des orifices des diaphragmes D1 et D2, et dl et d2 les débits instantanés dans le circuit primaire et secondaire, le dispositif selon la figure 1 fait que l'on a dl S1 constamment dl =51 d2 82 Soit T1 le titre de l'eau brute, le titre T de l'eau résultant du mélange des circuits primaire et secondaire est T = d2.T1 d'où SI S1 dl - Tî-T dl+d2 d'où S2 - d2 - T La figure 3 représente une autre application d'un dispositif selon l'invention qui est utilisé en combinaison avec un appareil de mesure de la teneur d'une solution ou d'une suspension, par exemple de la teneur en hydrocarbures de l'eau de déballastage d'un navire pétrolier, afin d'obtenir plusieurs plages de sensibilité de l'appareil de mesure. Il existe de nombreux capteurs, par exemple des capteurs optiques, qui délivrent un signal électrique proportionnel à la concentration d'une solution. La proportionnalité du signal électrique à la teneur n'est valable qu'à l'intérieur d'une plage donnée de concentration. Au delà d'un seuil maximum de teneur, le signal électrique ne varie plus proportionnellement à la concentration et les indications de l'appareil de mesure ou d'enregistrement du signal électrique deviennent fausses. Un dispositif selon l'invention permet d'augmenter la plage d'utilisation d'un capteur de concentration en diluant la solution par un facteur connu, par exemple par dix, dès que le seuil maximum de fonctionnement du capteur est atteint. La figure 3 représente à titre d'exemple l'application d'un dispositif selon l'invention en association avec un appareil de mesure de la teneur en hydrocarbures de l'eau de déballastage d'un navire pétrolier. Le repère 20 représente une pompe qui prélève en continu un débit d'eau de l'ordre de 1000 1/heure dans une conduite de déballastage d'un navire pétrolier. La pompe 20 est une pompe multicellulaire qui a pour effet de mélanger intimement les hydrocarbures et l'eau en formant une émulsion. L'eau sortant de la pompe 20 passe à travers un capteur optique 21 qui est composé d'une source lumineuse placée dans un tube transparent et d'un récepteur photo-électrique placé dans un deuxième tube transparent disposé en regard de la source lumineuse. Le capteur 21 est par exemple un capteur du type décrit dans les brevets FR 70.33128 ou FR 72.42946. Le détecteur photo-électrique d'un tel capteur est associé à un dispositif électronique qui délivre un signal proportionnel à la teneur en hydrocarbures tant que celle-ci reste inférieure à 1200 mg/litre. Or la concentration en hydrocarbures que l'on rencontre dans les eaux de déballastage peuvent varier entre O g/l et 10 g/l. Au delà de 1200 mg/I, la cellule de mesure des appareils connus est saturée à un point tel que le dispositif de linéarisation électronique deviendrait trop complexe et que d'autre part, on aurait une sensibilité très faible dans la plage entre 0 et 1000 mg/litre. Si l'on voulait construire des détecteurs optiques d'hydrocarbures ayant une plage de mesure allant de O à 10.000 mg/l, il faudrait utiliser des cellules de mesure ayant une épaisseur de lame d'eau dix fois plus faible que les cellules actuelles, c'est-à-dire une épaisseur de l'ordre de 5 mm. Nais une telle disposition est à rejeter car elle entraînerait une technologie complexe liée à la salissure des cellules. De plus, il faudrait monter deux cellules de mesure en série couvrant l'une une plage comprise entre 0 et 1000 mg/l et l'autre, une plage comprise entre 1000 et I0.000 mg/litre et donc disposer de deux boîtiers capteurs et deux boîtiers électroniques. Le dispositif selon la figure 3 permet de résoudre ce problème plus simplement et plus économiquement et d'obtenir deux plages de sensibilité de l'appareil de mesure comprises l'une entre O et îg/l et l'autre entre Ig/l et lOg/l avec une même cellule de mesure et un même boîtier électronique de linéarisation du signal. Ce dispositif comporte un diagramme 22, situé en aval du capteur 21 qui maintient une pression sensiblement constante dans la conduite 23 qui traverse le capteur. La conduite 23 comporte, en amont du capteur 21, un diaphragme Dl et une chambre de mélange 24. Il comporte une canalisation 25 d'arrivée d'eau de dilution propre, c'est-à-dire d'eau qui est transparente, sans hydrocarbures, par exemple de l'eau de mer propre sous une pression légèrement supérieure à la pression de refoulement de la pompe 20. La canalisation 25 comporte une électrovanne 26 et passe à travers un régulateur de pression 27 identique au régulateur 5 de la figure 1. A la sortie du régulateur 27, la canalisation 25 traverse un diaphragme D2 et elle est connectée sur la canalisation 23 au point 28. Le régulateur 27 est connecté par deux prises de pression 29 et 30 immédiatement en amont des diaphragmes Dl et D2. Le régulateur 27, les diaphragmes Dl et D2 et les prises de pression 29 et 30 constituent un dispositif identique à celui de la figure I et le rapport des débits instantanés dl et d2 qui traversent les diaphragmes Dl et D2 est constant et égal au rapport des sections S1 et 82 des orifices des 82 diaphragmes Dl et D2. On choisit le rapport Sl = 9, de telle sorte que la teneur en hydrocarbures de l'eau qui traverse le capteur 21 se trouve immédiatement divisée par dix lorsque l'électrovanne 26 est ouverte. Afin de ne pas avoir à modifier le débit de la pompe 20, le dispositif comporte une conduite 31 d'évitement du capteur 21 qui est équipée d'une vanne motorisée à trois voies 32 et d'un diaphragme 33 et qui rejoint la conduite 23 en aval du diaphragme 22. La troisième voie de la vanne 32 est connectée par une canalisation 34 à la canalisation 23, en un point 35 situé entre la chambre de mélange 24 et le capteur 21. La canalisation 34 évite que tout le débit de la pompe 20 n'ait à traverser le diaphragme Dl lorsque la dilution n'est pas en service. La fonctionnement est le suivant. Tant que la teneur en hydrocarubres mesurée par le capteur -21 est inférieure à Ig/litre, l'électrovanne 26 est fermée et l'électrovanne 32 est sur la position de passage en équerre. Toute l'eau refoulée par la pompe 20 traverse le capteur 21 qui est sur la plage de sensibilité égale à un et qui délivre un signal qui mesure directement la teneur en hydrocarbures de l'eau. Lorsque le seuil de Ig/litre est atteint, le capteur 21 détecte le dépassement de ce seuil et commande un dispositif de commutation qui ouvre l'électrovanne 26 et commande le passage de l'électrovanne 32 sur la position de passage en ligne droite. A ce moment, une partie du débit de la pompe 20 est dévié à travers la conduite 31 et ne traverse plus le capteur 21. Le volume qui traverse le capteur optique 21 contient neuf volumes d'eau propre venant de la conduite 25 pour un volume d'eau chargé d'hydrocarbures. La teneur en hydrocarbures est donc divisée par dix et ramenée dans la plage 0 à Ig/litre. Le signal électrique délivré par le capteur 21 est multiplié par dix pour obtenir la teneur en hydrocarbures. REVENDICATIONS 1 -Dispositifs pour maintenir dans un rapport constant les débits instanta nés de deux fluides qui circulent sous pression dans un circuit primai re et dans un circuit secondaire qui se rejoignent, caractérisé en ce qu'il comporte - un diaphragme disposé sur ledit circuit primaire et un diaphragme disposé sur ledit circuit secondaire en amont du point de jonction des deux circuits, lesquels diaphragmes ont des orifices dont le rap port des sections est égal audit rapport constant;; - et un régulateur de pression différentiel qui comporte, d'une part, une chambre séparée en deux demi chambres par une membrane transversale, lesquelles demi chambres sont connectées par des prises de pression respectivement en amont de chacun des deux diaphragmes et, d'autre part, une vanne à double clapet qui est incorporée dans ledit circuit secon daire, en amont du diaphragme et de la prise de pression de ce cir cuit, lesquels clapets sont montés sur une tige mobile solidaire de ladite membrane. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane est une plaque ou un disque mobile qui coulisse axialement dans ladite chambre, en étant séparée des parois de ladite chambre par un faible jeu. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractéri sé en ce que ladite tige mobile traverse avec du jeu la partie du corps du régulateur de pression qui sépare ladite chambre desdits clapets. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit régulateur de pression comporte une canalisation qui fait communiquer la sortie de fluide située en aval desdits clapets avec celle des deux demi chambres dont la pression repousse la membrane dans le sens de fermeture des clapets. 5 - Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à l'adoucissement partiel de l'eau, caractérisée en ce que l'on divise le circuit d'eau brute de titre Tl en deux circuits, un circuit primaire qui comporte un détendeur et un adoucisseur et un circuit secon daire et on relie lesdits circuits primaire et secondaire par un disposi tif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lesquels les sections Si et S2 des orifices des diaphragmes primaire et secondaire sont sont dans le rapport T X T étant le titre de lteaupgtieilement adoucie. 6 - Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 au changement de sensibilité d'un capteur de concentration d'une solution qui circule sous pression dans une canalisation qui traverse ledit capteur, lequel capteur présente un seuil maximum de linéarité, caractérisée en ce que l'on dispose sur ladite canalisation, en amont dudit capteur, un premier diaphragme D1 ayant un orifice de section Sl, on connecte sur ladite canalisation, entre ledit diaphragme et le dit capteur, une canalisation dans laquelle circule de l'eau de dilu tion propre, sous une pression P2 > P1, qui est équipée d'un deuxième diaphragme D2 ayant un orifice de section S2, d'une électrovanne et d'un régulateur de pression selon l'une quelconque des revendications I à k et, lorsque ledit seuil maximum de linéarité est atteint, on ouvre ladite électrovanne, de sorte que la concentration de la solu tion tion qui traverse ledit capteur est divisée par 81+82 7 - Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite conduite comporte deux diaphragmes placés de part et d'autre dudit capteur de concentration et une dérivation qui contourne les deux diaphragmes et qui comporte une vanne motorisée laquelle est ouverte en même temps que la vanne motorisée placée sur ladite canalisation d'eau de dilution propre. 8 - Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 au changement de sensibilité d'un capteur optique qui mesure la teneur en hydrocarbures d'une eau, notamment de l'eau de déballastage des navires pétroliers, lequel capteur est composé d'une source lumi neuse et d'un récepteur photosensible placés de part et d'autre d'une conduite dans laquelle l'eau chargée d'hydrocarbures circule après avoir traversé un émulseur, caractérisée en ce que l'on dispose, entre ledit émulseur et ledit capteur, un dispositif selon l'une quelconque des re vendications 1 à 4, dans lequel le circuit primaire est constitué par ladite conduite et le circuit secondaire est un circuit d'eau de dilu tion propre équipé d'une vanne motorisée qui est ouverte automatiquement dès que la teneur en hydrocarbures mesurée par ledit capteur atteint le seuil maximum de linéarité dudit capteur.