Brevet FR2518144A1 — publié le 19830617

SYSTEME DE REGULATION HYDROMECANIQUE POUR VANNES A FLOTTEUR La présente invention a pour objet un système hydromécanique de régulation destiné à régler l'ouverture des vannes pour un débit ou un niveau demandé en amont ou en aval de cette vanne. Le secteur technique de l'invention est celui des installations de distribution d'veau par canaux ou galeries. On a déjà proposé d'utiliser pour les vannes è flotteur de types connus des systèmes à mode hydraulique ou combinant une partie de chacun d'eux 7 tendant à régler les vannes sur lesquelles ils ont été montrés. Le plus efficace des systèmes connu et utilisé jus- qu'à présent sur lesdites vannes est fondé sur le principe suivant : afin de régler le clapet de la vanne à un angle d'ouverture cqrrespondant à un debit ou un niveau demandés sans battement ni mouvement ondulatoire de l'ensemble, un flotteur qui commande ce clapet baigne dans un caisson dont la mise en relation avec l'eau du canal est progressive et commandée Par une vanne. Ainsi, le phénomène ondulatoire, sans etre supprimé, est différé dans le temps et la fréquence des battements atténué. On remarque que'ce système connu n' est pas satisfaisant puisque l'alternance ouverture- fermeture que l'on voudrait annuler demeure. Par ailleurs, le niveau d'eau initial -en aval dans le canal n'est pas récupéré et l'inertie dûe au caisson augmente le temps de réponse à toute variation devant être corrigée. L'pbj.ectif de la présente invention est de permettre ,d'améliorer le fonctionnement des vannes à flotteur en annu lant les battements ou balancements parasitaires du clapet, en diminuant la durée du temps de répon.se et en récupérant une par,- tie du niveau aval , perdu par.le canal lors de l'ouverture de la vanne sans modifier l'angle d'ouverture~du clapet cor respondant au débit nécessaire demandé. Le système qui fait l'objet dela présente invention est fondé sur le principe connu comportant un pignon denté so lidaire de l'axe de rotation du clapet de la vanne entrainant un secteur denté dont l'axe est solidaire dù bâti latéral de la vanne auquel est joint une bielle réglable assurant la liaison mécanique entre le secteur et une bielle-came dont le rôle est de dégager une lumière pratiquée dans le bras solidaire du cla pet et entrainant le flotteur ; l'axe de rotation de la bielle came est fixé sur ce bras ; le flotteur est également solidaire du bras par 2 axes dont l'un est fixe et l'autre libre. La vanne de type à flotteur fonctionne suivant le prin cipe de régulation proportionnellè à-postériori puisque le flot teur commandant l'ouverture ou la fermeture agit sur le clapet par l'intermédiaire d'un bras tournant autour d'un axe, le flot teur étant soumis à la variation de niveau constaté dans le ca nal, en amont ou en aval du canal, selon le mode de fonctionne ment adopté. Or, la vanne obéit au flotteur après un temps de réponse donné et le fait'même que le clapet de celle-ci s'ouvre ou se ferme crée è son tour'de nouvelles per'turbations sur le flotteur qui r-éagit mal puisque soumis à des fluctuations intermédiaires de'niveau de type parasitala telles qu'effet des vague, hausse ou baisse ponctuelle de niveau, etc Le système hydromécanique qui fait l'objet de l'invention annule tous ces effets néfastes au bon fonctionnement de la vanne et améliore par ailleurs la qualité de la régulation de contrôle des débits et des niveaux. Lé système n'est tributaire draucune énergie extérieure puisque son fonctionnement est lie directement à l'ensemble mécanique qu'il régule. En effet, out mouvement du clapet de vanne agit sur la bielle-came dont dépend, en plus ou en moins, le dégagement de la lumière dans laquelle coulisse un axe solidaire du flotteur. On comprend que l'angle d'ouverture de dégagement de la lumière agisse directement sur la fourchette de liberté offerte au flotteur qui pourra fluctuer selon les variations parasitaires de niveaux sans agir sur le clapet. Par ailleurs, le système dans son principe permet de prévenir l'erreur en anticipant sur les mesures à prendre. En effet, on remarque que la came dégage la lumière avant même que les premiers effets parasitaires ne se manifestent. Ainsi, il y a nouveauté également dùns le principe de régulation de contrôle qui permet de passer du mode de régulation proportionnelle- à postériori à icelui d'une régulation intégrale proportionnelle à priori. On remarque-également que le' flotteur, tout en bénéficiant d'une certaine fourchette-de liberté, demeure lié au bras de la vanne par lintepmédiaire d'un deuxième axe, ce qui permet de conserver l'équilibre de l'ensemble par l'action des couples divers qui agissent normalement sur la vanne. 'Avantageusement et suivant le.cas,'trRis positions de l'axe de la bielle-came sont,possibleq : 1. - came et lumière situées en extremité du bras, donc en aval du flotteur de forme patallélépipédique 2. - came et lumière situées en -début du bras, donc en amont du flotteur de forme parallélépipédique 3. - came et lumière situées au centre du bras, et cas parti culier au centre du flotteur de forme cylindrique. Toutes autres formes ou emplacements qui seraient envisagés ne modifieraient en rien le pri-ncipe et les nouveautés faisant l'objet de l'invention Le caractère du système étant défini par un type-de fonctionnement autonome et automatique à circuit bydromécani- que fermé dont les éléments constitutifs par ordre de montage sont les suivants : pigno-n denté'fixé sur l'axe de-.la vanne et solidaire de celui-ci, secteur denté lié au chassies'de la vanne par.un axe, bielle reliant le secteur denté à la bie-lie-came elle-même solidaire duras de la vanne par un axe, flotteur solidaire -du bras par deux axes, un axe fixe et un axe flottant coulissant dans la lumière situé dans le bras et pour finir bras solidaire du pign.on denté. Ainsi, le circuit se referme par le pignon élément dïorigine et de Fin. I1 faut ajouter aux avantages déjà cités que l'appli cation du nouveau système permet la suppression du caisson et de son appareillage complementaire. L-'appareil constituant l'ensemble de la vanne est donc simplifié grâce au système. Les éléments du système sont réglables par l'intermédiaire des bielles qui, munies de plusieurs orifices, peuvent, selon le montagne, assurer des couples dé forces et des mouve 'mentis cinématiques d'intensité et d'amplitude différentes. La lumière peut 'épouser un dessin variable, selon la forme donnée au mouvement, l'importance du bras et les caractéristiques de la vanne 9 elle aura, en général, une forme al longée, à trajectoire courbe. La bielle-came est construite en conséquence. La description des différents éléments mécaniques constitutifs en est faite, en forme, en situation et en proportion, par les dessins annexes. Par ailleurs, le système est relativement léger, fa cilement adaptable et de construction simple ; ses éléments usinés se classent dans la catégorie de la mécanique moyenne ne nécessitant aucune précision' particulière, ce qui devrait en permettre une fabrication économique. La description suivante se réfère aux dessins an nexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples d'application et de réalisation du système hydromé canique de régulation selon l'invention. * La figure 1 est une' vue-de côté d'un premier exemplé d'application du système selon l'invention. * La figure 2 est une vue de côté d'un deuxième exemple d'application du système selon l'invention. * La figure 3 est une vue de coté d'un troisième exemple d'application du système selon l'invention. * La figure 4 est'une perspective du système selon l'exem- ple de la figure -1 -- vue de la vanne partiellement ouverte. * La figure 5 représente un schéma cinématique des différentes phases de fonctionnement du système lié à la vanne représentée par la figure 4. * La fiqure 6 représente les courbes de débita en Donc tion du temps. Trois courbes sont représentées, dont.: . C1 - courbe de variation de débit sans régulation . C2 - courbe de variation de débit avec régulation proportion nelle à postériori (caisson) . C3 - courbe de variation de débit avec régulation intégrale proportionnelle à priori. Application du système qui fait l'objet dé l'invention. * La figure 7 est une vue complémentaire de la figure 6, avec courbes de niveaux correspondantes . C4 - courbe de niveau d'eau dans le canal . C5 - courbe des seuils d'élévation du bras delavanne. * La figure 8 est une représentation schématique détaillée des variations cinématiques suivant le temps, la position et l'amplitude des différents éléments : ca-me, lumière, axe flotteur. Cette figure est en concordance de projection sur l'axe des temps avec les figures 6 et 7 citées. Les figures 6, 7 et 8 permettent d'analyser le processus de régulation et son déroulement dans le temps. Bien enten'du, toutes ces figures ont valeur d'exemple et ne sauraient limiter en rien les possibilités autres, en forme application et situation, du système qui pourrait être adapté à différents appareils de vanne afin de produire le même effet régulateur. Le cas de la figure 1 a été choisi pour la' de.scrip-. tion détaillée qui suit, cela simplement à titre pratique, mais il pourrait en être fait de même avec tous les autres cas de figure sans caractère limitatif d'aucune sorte. DESCRIPTION bU FONCTIONNEMENT Tro'is phases marquent le fonctionnement du système PHASE 1 Demande.de débit en aval de la vanne, baisse du ni veau aval, réaction du flotteur 6 solidaire du bras 8, le clapet 7s'ouvre mais déjà la régulation est anticipée par un dégagement de la lumière 5 effectuée progressivement par la bielle-c?me 4 dont ltouverture est proportionnelle à l'an gle d'ouverture du clapet 7. Donc régulation à priori enre gistrée par 1a lumière 5 du bras 8 qui descend. Le débit' four ni est supérieur au débit demandé. PHASE 2 La lumière 5 dégagée permet, pour une remontée de ni veau aval, de désolidariser momentanément le flotteur 6, donc de libérer le bras 8 de l'influence de cettè remontée jusqu'au un certain seuil: Donc régulation de débit différée dans le temps, figure 6. La durée de cette différence est fixée par 2 éléments : la vitesse de. remplissage du canal aval et le ni veau d'ouverture de la lumière 5. PHASE 3 Le seuil de niveau maximum-pour le débit demandé cor respondant au réglage de la bielle-came étant atteint, l'axe A.6 du flotteur bute sur la partie haute de la came 4. Le flot teur 6 redevient solidaire du. bras. 8, donc du clapet7. Le clapet 7 se ferme jusqu'à'un nouvel angle &alpha;2 correspondant au débit réellement demandé en aval. Le débit fourni est alors égal au débit demandé. La lumière a été, pendant le même temps, partiellement obturé dans la même proportion que la différence d'angles &alpha;1 - &alpha; 2.(Fig 5) ANALYSE CINEMATIQUE DU FONCTIONNEMENT DU SYSTEME Le clapet 7' est fermé ; il s'ouvre. sous l'impulsion du flotteur 6 solidaire du bras 8.La lumière 5 est totale- ment obturée par la came en position de 7 fermée et pour l'angle d'ouverture o. La lumière 5 est dégagée progressivement lorsque o passe à 1. Ce dégagement de la lumière 5 par la came 4 est proportionnelle à #&alpha;= &alpha;1 - &alpha;0 ; cette diffé- rence d'angle est transmise par le pignon 1 tournant autour de l'axe Al et solidaire de 7 et 8 entraine le secteur 2 tour nant autour de son axe A2 solidaire du bâti 10 de la vanne ancré dans le canal donc fixe. Le secteur tourne d'un angle &gamma; o à &gamma; 1, soit S g proportionnel à t.La bielle 3 est elle- même entrainée dans ce mouvement par l'intermédiaire de l'axe A3 et transmet l'action à la bielle-came 4 par l'axe de rotation A4. Un couple est constitué par l'intensité de la force f4 en A4 transmise sur la came par le bras de levier de longueur égale à A4 - A5. La came se soulève, la lumière se dégage, mais l'axe A6 du flotteur reste collé au bas de la lumière et appuie sur le bras. L'axe A7 du flotteur, grâce à la lumière 9, permet au flotteur 6 de jouer mécaniquement de façon satisfaisante. Le. clapet' 7 étant ouvert au débit Q1 = Q2 +#Q, le étant du au besoin de pallier le manque de niveau en aval de la vanne. du à l'inertie de celle-ci en réponse à toute demande de débit. 'Le niveau aval monte en fonction du #-Q. Le flotteur 6 monte en tournant autour de son axe A7 suivant un angle r0 à #1 =##, mais ne pousse pas le bras 8 puisque la lumière est dégagée. Le canal aval se remplit, durant le temps QT, donc toujours en fonction du #Q. Le niveau de réglage étant atteint, l'axe A6, qui s'est déplacé de sa position basse à sa position haute, pousse sur le bras 8 par l'intermédiaire de la came .4. Deux mouvements synchronisés -vont se produire : d'une part le bras 8 agit sur le clapet 7 dont l'angle de fermeture varie de &alpha;1 à &alpha; 2, d'autre part le pignon suivant le cla- pet tourne de &gamma; 1 à &gamma; 2. La came 4 reçoit. cetie action par la bielle 3 et tourne de B1 à 2 ,; cet angle tend donc.à se fermet et le flotteur se stabilise finalement lorsque les valeurs 2, &gamma; 2, ss2 correspondantes au débit demandé Q2 sont atteintes. Un autre cycle de régulation peut alors commencer. REVNDICATIONS 1.; - Système de régulation hydromécanique automatique monté sur vanne à flotteur utilisée dans les canaux d'amenée d'eau du type comportant un pignon 1 solidaire de l'axe Al de Ba vanne entrainant un secteur denté 2 solidaire du bâti lO par l'axe A2 lui-même agissant sur une came 4 par l'intermédiaire d'une bielle 3, ladite 'came dégageant une lumière 5 dans laquelle l'axe A6 du flotteur de la vanne est rendu plus ou moins libre selon l'angle 0 2./ - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite combinaison came - lumière 4-5 sauvegarde un maximum de sensibilité au flotteur 6 pour toute variation de niveau excédant les simples fluctuations parasitaires. Le temps de réponse en est donc amélioré par rapport aux autres systèmes connus et communément utilisés.Suppression iu bac amorçisselr 3./ - Système selon lequel suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la zone morte définie par la combinaison came - lumière, 4 - 5, permet de dégager une fourche'tte de liberté au flotteur (figure 7) telle que l'angle d'ouvertu- re du clapet 7 de la vanne demeure constant jusqu'à ce que l'axe dudit flotteur 6 atteigne la came 4.Fourchette #L fig 8 La durée de la course de l'axe A6 permet au clapet 7' d'.assurer un débit excédentaire dit de compensation permet tant, à l'aval du canal, de retrouver en partie le niveau d'eau initialement perdu (figures6,7ett 8, plageAT .L 4./ - Système selon l'une 'quelconque" des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que ledit flotteur 6 demeure solidai re du bras 8 de la vanne par un deuxième axe A7, ce qui per me d'assumer en toutes circonstances les couples nécessai res à l'équilibrage de celle-cl.Trois cas possibles Fig I.2 et 3 5./ - Système selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé par un fonctionnement en circuit autonome et fermé suivant un automatisme exempt de tout apport d'éner gie extérieure. Le pignon 1 en est le début et la fin. -6./ - Système selon l'une quelconque des revendications de I à 5 caractérisé par un mode de régulation proportionnel inté gral à priori qui enregistre mécaniquement toute variation de niveau et la restitue en équivalent régulation correspon.dant à l'importance de 1a correction à apporter sur-le clapet 7 par l'intermédiaire du bras 8 dont il est solidaire, suivant fi gures 6 et 8. 7./ - Système selon l'une quelconque des reventications de l à 6 caractérisé par un'asservissement progressif de-la vanne permettant d'amortir sans à-coup la réduction ou l'augmenta tion d'un débit et d'aligner ee'lui-ci sur la valeur de réfé- rence du débit demandé en aval de la vanne. Généralement, cet amortissement se fait sur un temps dont la durée est égale à une période correspondant à la montée de l'axe A6 du flotteur jusqu'à la came 4, suivant figure 6. 8./ - système selon l'une quelconque des revendications. de 1 à 7 caractérisé par un alignement des valeurs de débit immédiat sans fluctuation ondulatoire de type semisoldale, ce qui permet d'annuler pratiquement le décrément hydraulique du au battemeht du clapet si celui-ci n'est pas régulé (suivant figure 6 - plage t2 - t4).