Brevet FR2482241A1 — publié le 19811113

La présente invention concerne les vannes de régulation et, plus particulièrement, les vannes de régulation à commande numérique. L'immense majorité des vannes de régulation fonctionne suivant le mode analogique en association avec des systèmes de commande eux-mêmesanalogiques. L'expension foudroyante des techniques logiques et les réductions des coûts des composants afférants ont amené, pour l'intégration des vannes de régulation dans des processus de régulation numérique, a développer des systèmes de commande amont fonctionnant en numérique mais en association avec des interfaces de conversion numérique-analogique pour l'actionnement des organes obturateurs des vannes proprement dites. La présente invention concerne des vannes de régulation à commande entièrement numérique avec numErisa- tion des paramètres de contrôle de l'écoulement du fluide à reguler permettant une régulation au moyen d'éléments constitutifs des vannes conçues spécifiquement pour agir par valeurs incrémentales ou discrètes pour couvrir, en etant commandées directement par un bloc logique, la gam- me de régulation visée pour le fluide, dans des conditions optimales tant de fonctionnement que de réalisation structurelle. La présente invention concerne également des vannes de régulation à commande numérique de fonctionnement simple et fiable,permettant des temps de réponse réduits et une précision grandement améliorée. Pour ce faire,selon une caractéristique de la présente invention,une telle vanne de régulation comprend une pluralité de passages de fluide, chacun sélectivement obturable par un moyen d'obturation associé actionnable individuellement,les dimensions des passages de fluide étant déterminées en fonction d'une loi de pondération préétablie et leur nombre en fonction du taux de précision requis pour la régulation,les moyens d'obturation étant actionnés sélectivement selon un code de base en fonction du rang dans la loi de pon dération des passages de fluide correspondants. Selon une caractéristique particulière de la pré sente invention,les passages de fluide et les moyens d'obturation associés sont formés par une série de moyens de clapet montés en parallèle ou en étoile. Selon une autre caractéristique de la présente invention,les passages de fluide et les moyens d'obturation associés sont formés par un boisseau à lumières multiples associé à une chemise. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisationtdonnés à titre illustratif mais nullement limitatif,faite en relation avec les dessins annexés,sur lesquels La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'une vanne de régulation à commande numérique selon la présente invention; La figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'une vanne selon la présente invention; et Les figures 3 et 4 représentent,respectivement en coupe partielle transversale et en élévation un autre mode de réalisation à structure en étoile et à éléments noyés. Les aspects théoriques de la présente invention seront,pour en faciliter la compréhension,explicités plus par- ticulièrement en référence avec la figure l,mais il est bien entendu que cette description peut être également immédiate- ment transposable aux modes de réalisation des figures 2 à 4. Sur la figure 1, un corps de vanne l définit une chambre de circulation de fluide interne 2 entre une ouverture 3 et une sortie 4 par l'intermédiaire d'une série de passages de fluide 5, 5D, 5" disposés, dans le mode de réa- lisation représenté, parallèlement les uns aux autres Cha- que passage de fluide 5 adjacent à un siège de clapet peut être obturé sélectivement par une tête de clapet associée, les différents moyens de clapets étant commandés par des étages de puissance 7 à éléments electromagnEtiques. De fa çon plus spécifique, les étages de puissance comprennent1 pour chaque clapet, un enroulement 8 et un plongeur associé 9 relié à l'extrémité de la tige 10 de la tête de clapet, laquelle est guidée de façon étanche dans son déplacement par rapport au corps de vanne 1 par un presse-étoupe il et une colonne de fixation 12, la tête de clapet 6 étant normalement sollicitée en position de repos en appui contre son siège par un ressort de compression 13 Les etages de puissance 7 sont commandés par un étage de relayage 14; luimême commande par un bloc logique 15 ainsi qu'il sera vu ci-dessous. Comme on le voit bien sur la figure 1, les diffé- rents passages 5, 5', 511,. sélectivement obturables par la tête de clapet associée 6, 6", 6 ", ... présentent des dimensions, en l'occurrence des diamètres di différents, dont la détermination sera faite1 conformé- ment à la présente invention, selon une loi de pondéra- tion.On comprendra d'ores et déjà que1 selon que un ou plusieurs des clapets 6, 6', etc.. sont ouverts à un moment donné, la vanne de régulation offrira des sections de passage 5, 5', etc... déterminées en conséquence afin d'obtenir, par actionnement en tout- ou-rien des clapets, une régulation du débit du fluide à réguler entre une configuration totalement fermée et une configuration totalement ouverte déterminée en fonction des paramètres de l'écoulement à réguler. Conformément à la présente invention, les passages des fluides 5, 5'..., c'est-à-dire plus spécifiquement les diamètres di sont déterminés selon une loi de pondération préétablie permettant de couvrir, par valeurs incrémentales la totalité de la plage de régulation. Les moyens d'obturation associés 6, 6'... sont actionnés selon un code de base à poids variables, permettant de réaliser de façon continue l'échelle numérique dans toute la plage dynamique choisie.Le code de base est tributaire des paramètres suivants : a) contrainte de précision (c'est-à-dire que le poids le plus faible correspond à la précision statique), b) le recouvrement entre deux chiffres adjacents ou positions numériques de la loi de pondération (paramètre qui participe à la précision dynamique et surtout au respect de la linéarité de la réponse); et c) le nombre de clapets de dimensions differentes (paramètre ressortissant de considérations économiques pour ce qui est de la fabrication, la maintenance et la fiabilité). En appelant n le nombre de clapets ayant des dimensions différentes dans un projet, g le recouvrement (compris entre 0 % et 100 t) entre deux chiffres adjacents et h la précision en % conformément à un aspect de la présente invention, la relation liant ces paramètres est la suivante : h(l - q) = (2 - q)n Cette relation permet de déterminer les paramètres de la vanne en fixant, a priori, en fonction de la nature du projet, soit la précision, soit un minimum pour la valeur de recouvrement sachant que cette grandeur peut évoluer, au cours d'une excursion sans jamais être inférieure au minimum prévu. Selon la présente invention, le recouvrement q est détermine supérieur ou égal à 50 %. Si l'on désire utiliser un nombre de moments m minimal, c'est-à-dire, dans le mode de réalisation de la figure 1, un nombre total de clapets minimal, sans optimisation de ce paramètre m, pour une précision h donnée, les poids du moment de rang m est donné par la relation : m-l am 1 où a. est le poids d'un moment de rang i et am le poids du moment du rang m.Dans le mode de réalisation de la figure 1, le paramètre prépondérant sera par exemple la détermination du nombre minimum n de clapets différents afin de faciliter l'usinage et la fabrication de la vanne; alternativement, plus particulièrement pour le second mode de réalisation de la figure 2, le paramètre prépondérant concernera une détermination du minimum de moments m, notamment pour arriver à assurer une rigidité suffisante du boisseau. On va maintenant expliciter, à l'aide de deux exemples, les critères de détermination d'une vanne selon la présente invention. EXEMPLE 1 Les paramètres retenus pour la determination de ces critères sont les suivants : recouvrement minimum g > 50 % et nombre minimum de moments m, la précision h étant choisie arbitrairement dans le tableau suivant, le nombre n ,non optimisé,de passages de fluide différents étant ainsi fixé en conséquence. TABLEAU I Rang des poids 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 li 12 Poids de la loi de pondération 1 1 2 3 4 6 9 14 21 31 46 Précision 1 1 2 lI 3 1 1 1 4 111 5 1 1 1 1 6 111 1 7 1111 8 11111 9 1111 1 23 1 I 1 1 1 1 1 27 1 1 1 1 1 1 1 1 Précision 1/27 41 - - 93 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Précision 1/93 96 1 1 1 1 1 1 1 1 1 139 1 1 I I 1 1 1 1 1 1 1 1 Précision 1/139 La loi de pondération établie dans le présent exemple est la suite de poids 1, 2, 3, 4, 6, 9, 14, 21, 31 et 46. C'est ainsi que pour obtenir une précision voisine de 1 % (1/93), la vanne se caractérisera par un rang des poids atteignant m = 11 (c'est-à-dire ll passages de fluide) et un nombre n = 9 (c'est-à-dire 9 types différents de passages de dimensions différentes les unes des autres, soit,pour le mode de réalisation de la figure 1, 9 types de clapets différents). Pour une précision voisine de 4 % (1/27) on a, corrélativement, m = 8 et n = 6 types de passages de fluide différents. EXEMPLE 2 Les paramètres retenus sont toujours q # 50 %, mais n déterminé cette fois le plus faible possible, h étant choisi arbitrairement dans le tableau et m étant fixé en conséquence de façon non optimisée. TABLEAU Il Poids de la loi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rang des Boids 2 a( jss71s19(ia 11 Poids de la loi de pondération 1 1 1 2 2 4 4 8 8 16 16 32 Précision 1 1 2 ll 111 4 111 5 1111 6 1111 7 11111 8 1111 1 23 1 1 1 1 1 1 1 1 1/23 27 1 1 1 1 1 1 1 1 1/27 41 - - - - 93 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 95 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1/95 37 La loi de pondération est ici à la suite de poids 1, 2, 4, 8, 16 et 32. Ainsi, pour une précision voisine de 1 9 (1/95), la vanne comportera m = 12 clapets ou passages de flui de avec n = 6 types de clapets différents. Pour une précision voisine de 4 % (1/23) les valeurs sont m = 8 clapets ou passages de fluide dont n = 4 types de clapets différents. On comprendra que, dans le mode de réalisation de la figure 1, les clapets peuvent être montés en parallele non pas nécessairement sur une ligne, mais sur un cylindre coaxial aux entrée et sortie de fluide en étant répartis angulairement et/ou avec un décalage longitudinal autour de ce cylindre. Dans le mode de réalisation representé sur la figure 2, utilisant un boisseau ou tournant, les différents passages de fluide de dimensions et nombre déterminés en fonction des critères requis pour la vanne, sont formés par des lumières 20, 20', 20", réparties sur la périphérie d'un boisseau 19 actionné par un plongeur 21 pour venir coïncider sélectivement avec des ouvertures 18, 18'... formées dans une chemise ou lanterne 17 dans laquelle est reçu le boisseau 19 pour réaliser une communication sélective entre l'entrée 3 et la sortie 4 de la chambre d'écoulement 2 de la vanne. Dans le mode de réalisation repré senté, le plongeur 21 est susceptible de se déplacer par rapport au couvercle 31 du corps de vanne dans les directions 22 suivant son axe longitudinal et 23 en rotation autour de cet axe longitudinal au moyen de dispositifs d'entralnement associé 70 et 71, respectivement. Cet agencement permet, par combinaison de la rotation et de la translation du boisseau, une répartition optimale des lu mières 20, 20' sur la périphérie de celui-ci. On peut également concevoir comme figure en pointillé sur la figure 2, un mode de réalisation dans lequel, le boisseau est entrainé en rotation par un mécanisme d'entraînement découplé 711 en étant toujours entraîné entre translation par le mécanisme d'entraînement 70. Dans un mode de réalisation simplifié, on peut également prévoir un boisseau avec une lumière unique dont la position, obtenue également par rotation et/ou par translation, obéit aux lois d'applica tion du code de base retenu et est incrémentée en fonction de la valeur du débit instantané souhaité pour le fluide à réguler On a représenté sur les figures 3 et 4, un autre mode de réalisation d'une vanne. de régulation selon la présente invention de conception entièrement modulaire et à éléments noyes convenant par exemple, pour le contrôle d'installation de fluides agressifs ou à haute température. Dans son principe, ce mode de réalisation s'apparente à celui décrit en relation avec la figure 1, mais les clapets en parallèle sont ici agencés dans une configuration en étoile comme on le voit bien sur la figure 4.De fait, le corps 1 de la vanne définit, entre les canalisations coaxiales d'entrée 3 et de sortie 4, une chambre de circulation de fluide interne en U, avec une première partie amont 21 séparée de la partie aval 22 par une structure tubulaire 200 dans laquelle débouchent radialement les pas- sages de fluide Si analogues à ceux de la figure l et di mensionnés de la même façon pour conférer aux ensembles de clapet I, II, III et IV, des poids différents 1 à 4; déterminés selon la loi de pondération choisie. De façon plus spécifique, chaque ensemble de clapet comprend un corps 40 réalisé en un matériau perméable au flux magnétique et se prolongeant par une partie tubulaire interne 41, traversant la cloison de séparation 200 des chambres de circulation internes et ouvertes à son ex trémité suivant un alésage 501 formant un siège de clapet pour un moyen de clapet 42, solidaire d'une pièce polaire ou plongeur 43 par l'intermédiaire d'une tige 44* Dans un mode de réalisation préférentiel, la paroi latérale de la partie tubulaire 41 comporte en outre une lumière 502 permettant ainsi de moduler plus précisément, en fonction du deplacement du moyen de clapet 42, l'ouverture de passage entre les chambres de circulation internes 21 et 220Le clapet 42 est par exemple normalement sollicité en position fermée par un ressort intégré 49 et la tige 44 porte, à son extrémité opposée faisant saillie par rapport au plon geur 43, une pièce polaire de détection 45 reçue dans un carter 46 solidarisé au corps 40. Sur la périphérie de ce dernier est agencé un enroulement de commande 48 destiné à contrôler le déplacement et le positionnement du plongeur 43, tandis qu'autour du carter 46 sont disposes des enroulements de détection et de positionnement 47 connectés, ainsi que l'enroulement 48,mais par l'intermédiaire de circuits oscillants, à un bloc de logique de commande analogue au bloc 15 précédent. On notera que, dans ce mode de réalisation, les différents éléments de clapets sont totalement disjoints structurellement les uns des autres suivant la conception modulaire recherchée et que tous les éléments actifs sont entièrement noyés, sans traversée de cloison, permettant de supprimer les étoupes de tiges de commande utilisées dans les modes de réalisation des figures 1 et 2 en s'affranchissant ainsi des problèmes relatifs d'étanchéité et d'usure notamment pour l'utilisation avec des fluides à haute température. En relation avec ce dernier point, le plongeur ou pièce polaire rotorique 43 et la pièce polaire de détection 46 sont revêtus de vernis ou de résine capable de tenir à des températures élevées, atteignant 5500C.D'autre part, le système clapet/cage représenté offre la possibilité d'exécuter des éléments de clapet aux modules identiques, les poids différents étant obtenus en dimensionnant différemment les lumières 502. Cet ensemble en etoile peut être utilisé comme vanne de régulation à mémoire du dernier état prescrit, comme vanne de régulation se fermant par manque de réseau de puissance avec un ressort de rappel tel que celui représenté en 49 sur la figure 3, soit en vanne de régulation à commande s'ouvrant par manque de réseau de puissance les différents éléments de clapet pouvant comporter un ressort assurant l'ouverture ou un ressort assurant la fermeture et deux bobinages de commande permettant un positionnement à mémoire. Dans les différents modes de réalisation décrits, les déplacements par valeurs incrémentales ou discrètes et le positionnement des organes mobiles de la vanne de régulation sont commandés par le bloc logique 15 qui est chargé d'élaborer la combinaison des poids à positionner en fone- tion de la valeur du débit instantané à communiquer au fluide régule et de la valeur de consigne numérisée reçue. Ce bloc logique est avantageusement réalisé à partir de composants statiques, ou, de prdference bâti autour d'un microprocesseur. Le dispositif de commande d'une vanne selon la présente invention peut comporter avantageusement un dispositif de g'forçage" local 16 permettant une commande manuelle en cas de panne de l'organe extérieur chargé d'élaborer la consigne numérisée pour le bloc logique ou permettant de satisfaire les critères dits de "première montee" du processus industriel mettant en oeuvre la vanne de régulation. Le "forçage' sera conçu pour agir le plus près possible des étages de relayage 14 ou 140 afin de pallier également une panne éventuelle du bloc logique 15.Les dispositifs d'actionnement ou moteurs des organes mobiles des vannes selon la présente invention seront choisis parmi les moteurs pas à pas rotatifs ou linéaires à commandes incrémentale ou absolue, les commandes discrètes de bobinage et les noyaux plongeurs,où une combinaison des dispositifs précédents. On peut également avantageusement adjoindre à la structure des vannes de régulation des dispositifs anti-bruit, des systèmes de contrôle de positionnement des organes mobiles dont les signaux pourront être transmis à distance, notamment pour l'affichage des conditions d'opérations de la vanne, ainsi que des ensembles dlasservissement selon des algorithmes divers. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers; elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susepti- ble de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les structures de vannes selon l'invention peuvent être avantageusement adaptées pour remplir la fonction de vannes de sécurité en permet tant des tests d'obturation à excursions totales program-- mées. Dans le cas du vide de réalisation des figures 3 et 4, une version à quatre clapets identiques et à sections de passages égales permettrait, lors d'un test, de ne pas modifier de plus de 25 % le débit maximum autorisé en conservant en endurance une étanchéité améliorée par rapport aux vannes de régulation analogiques utilisées en fonction de sécurité en raison de la diminution, notable, en fonctionnement tout- ou-rien, du laminage source principale d'érosion REVENDICATIONS 1 - Vanne de régulation à commande numérique, comprenant une pluralité de passages de fluide, chacun sélectivement obturable par un moyen d'obturation associe ac-- tionnable individuellement, caractérisée en ce que les dimensions des passages de fluide (5iB 20, 20', 50i) sont déterminées en fonction d'une loi de pondération et leur nam- bre en fonction du taux de précision requis pour la régulation, les moyens d'obturation (6, 6', 10, 42) étant actionnés sélectivement selon un code de base et en fonction du rang de la loi de pondération du passage de fluide correspondant. 2 - Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le recouvrement g entre deux chiffres numériques adjacents de la loi de pondération est déterminé supérieur ou égal à 50 %. 3 - Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le nombre n des passages de fluide présentant des dimensions différentes les unes des autres est déterminé en fonction de la précision h et du recouvrement q par la for n mule : h(l - q) = (2 - q)n - 1. 4 - Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les passages de fluide (5i, 50i) et les moyens d'obturation associés (6, 42) sont formés par une serie de moyens de clapets montés en paral lèle. 5 - Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les passages de fluide (51) et les moyens d'obturation associés (42) sont formés par une série de moyens de clapet (I, Il. .) montés en étoile. 6 - Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque moyen de clapet (I, Il...) comprend un corps (40) en matériau perméable au flux magnétique dans lequel est entièrement reçu de façon étanche un ensemble de clapet et de plongeur (42, 43) commandé par au moins un enroulement (48) dispose sur la périphérie du corps (40) 7 - Vanne selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que les passages de fluide sont definis par un alésage axial (501) et une lumière latérale (502) formés dans un prolongement cylindrique (41) du corps (40). 8 - Vanne selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que chaque moyen de clapet est constitué par un ensemble nodulaire autonome et démontable (I, Il...). 9 - Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les passages de fluide et les moyens d'obturation associés sont formés par un boisseau (19) à lumière (20, 20') multiples différentiées, susceptible de se déplacer au moins en translation (22) parallèlement à son axe principal. 10 - Vanne selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte, associé à chaque moyen d'obturation, un étage de puissance d'actionnement (14) commandé par un bloc logique (15) agencé pour élaborer la combinaison des poids de pondération à positionner en fonction de la valeur du débit instantané à communiquer au fluide à réguler et en fonction d'une valeur de consigne numérisée. 11 - Vanne selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que le boisseau (19) est associé à une chemise périphérique (17), le boisseau et la chemise comportant des lumières (20, 20'; 18, 18') réparties de façon à respecter les excursions des valeurs pondérées conformément au code de base choisi. 12 - Vanne selon la revendication 11, caractérisée en ce que le boisseau est commandable en déplacement à la fois en rotation (23) et en translation (22). 13 - Vanne selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'un des éléments boisseau-chemise est commandable en déplacement en rotation, l'autre élément étant commandable en déplacement en translation.