Brevet FR2576063A1 — publié le 19860718

" Convertisseur force-pression L'invention concerne un convertisseur force/ pression comportant un organe de commande sur lequel agit la force à convertir. En pneumatique, il est rencontré à de nombreuses reprises le problème qui consiste à convertir une force, ou un courant électrique, donné, en un signal pneumatique proportionnel. Il est utilisé, à cet effet, un convertisseur force/pression ou courant électrique/pression. La construction des convertisseurs connus est toutefois très compliquée. Un convertisseur courant électrique/ pression de ce genre est décrit, par exemple dans la demande internationale PCT/US 80/01524. I1 y est prévu, suivant la figure 6, un piston plongeur pourvu d'un bobinage qui se déplace dans le sens axial, quand il est appliqué un courant électrique, sous l'effet du champ magnétique qui s'établit. C-hacune des deu-x extrémités de ce piston plongeur forme ici, avec des ouvertures correspondantes d'un carter, un élément d'étranglement.Une de ces ouvertures est reliée à une source de pression, pendant que l'autre ouverture sert d'orifice d'échappement. La pression convertie est prélevée dans le carter même. Une réalisation de ce type présente différents inconvénients. Par la disposition du piston plongeur, ce dernier ne forme chaque fois un étranglement par rétrécissement de la section qu'avec une des deux ouver tures, pendant qu'à l'autre orifice la section n'est pas rétrécie. I1 s'en suit que la corrélation entre le courant qui arrive et la pression de conversion n' est pas exactement linéaire. Le PCT/US 80/01524 prévoit en conséquence, apres un autre amplificateur, une rétro-action au moyen d'un détecteur de pression, pour ajuster exactement la pression de sortie. Un mode de construction de ce genre est relativement onéreux, en particulier en ce qui concerne la voie de rétro-action.Ainsi, il faut, non seulement prévoir un détecteur de pression, mais aussi des éléments de construction qui traitent le signa produit par ce détecteur de pression de façon appropriée et l'envoient à la rétro-action. En raison des imprécisions constatées dans la mesure de la pression et dans la rétroaction, ainsi que des tolérances des composants électriques utilisés, le convertisseur décrit dans ce document ne convient pas parfaitement pour la conversion en pression de courants faibles. l'invention a pour objet de réaliser un convertisseur force/pression, ou courant électrique/pression, du type mentionné en commençant, de façon telle que la pression fournie soit exactement proportionnelle à la force ou au courant électrique amené. Le convertisseur doit être réalisé d'une façon très simple et être constitué d'un petit nombre de pièces séparées, de façon à obtenir aussi un avantage de prix. Enfin, ce convertisseur doit être réalisé de façon à pouvoir transformer même des forces très petites (de préférence d'un ordre de grandeur de 10 à 100 mN) ou de très faibles signaux électriques (de préférence d'un ordre de grandeur de O à 20 mA), en une pression (d'un ordre de grandeur qui sera de préférence d'un ordre de 0,2 à 1 bar).D'autre part, les pièces mobiles doivent avoir une masse très faible, et les frappes de ces parties mobiles doivent être à peu près symétriques, afin que l'effet de vibration produit soit très faible. A cet effet, I'invention propose un convertisseur force/pression, du type mentionné en commençant, caractérisé en ce que l'organe de commande coopère, en formant des éléments d'étranglement, avec deux sièges de soupape disposés sur les faces opposées de cet organe et dans le sens de l'action de la force, que l'une des soupapes possède une section efficace plus grande que celle de l'autrejque l'un des sièges de soupape est relié avec une arrivée d'air sous pression constante, pendant que 1 'autre siège de soupape fonctionne comme échappement et que la pression proportionnelle à la force qui doit être convertie est prélevée entre les sièges de soupape.L'invention se distingue ainsi du PCT/US 80/01524, en premier lieu, parce que les sièges des soupapes présentent des diamètres inégaux, et que l'élément de commande coopère comme étrangleur chaque fois avec les deux sièges de soupape en même temps Si la force amenée est désignée par F, les diamètres des sièges des soupapes par dl et d2, ainsi que la pression émise par pq, il est obtenu, en se basant sur l'équation F ~ pA , (d1 2 d22) une corrélation inversement proportionnelle, exacte, entre la force apportée et la pression émise. Une rétro-action devient alors superflue comme dans le cas du PCT/US 80/01524.Comme l'élément de commande n'a pas à être pourvu d'un bobinage, sa masse peut être relativement faible, de sorte que la conversion de forces même faibles devient possible. Comme il y a lieu de prévoir seulement un carter avec deux sièges de soupape, ainsi que l'élément de commande proprement dit, le convertisseur peut être construit d'une façon très simple et à peu de frais. Différentes possibilités sont concevables pour la réalisation de l'organe de commande. Des modes de réalisation recommandés prévoient, par exemple, que cet organe de commande soit réalisé sous la forme d'une sphère, ou sous la forme de deux demi-sphères avec un cylindre disposé entre elles. I1 est toutefois également avantageux que cet organe de commande soit composé d'au moins deux parties cylindriques. I1 est alors obtenu une solution exempte de battements, car les pièces de forme cylindrique ne peuvent pas venir en contact avec les sièges de soupapes. Enfin, l'organe de commande peut aussi être réalisé sous la forme d'une plaque plane. Cet organe de commande peut être avantageusement suspendu avec des éléments de fixation élastiques, en particulier des fils, des lames de ressort ou des ressorts doubles.Il est obtenu, de cette façon, un guidage rectiligne de cet organe de commande. En même temps, il est aussi possible de produire une force de pré-tension. Le convertisseur force/pression suivant l'invention peut aussi être utilisé pour la transformation d'un courant électrique en un signal pneumatique proportionnel. A cet effet, l'organe de commande peut être réalisé sous la forme d'un aimant permanent, et être entouré par un électro-aimant, un courant électrique passant dans cet électro-aimant exerçant sur l'organe de commande, une force proportionnelle au courant. I1 est réalisé, de cette façon, un convertisseur courant électriqueipression très simple qui possède les mêmes avantages que le convertisseur force/pression suivant l'invention. Un perfectionnement avantageux de ce convertisseur courant électrique/pression prévoit que l'élec- tro-aimant peut être déplacé, au moyen d'un mécanisme de commande, dans le sens du déplacement de organe de commande. I1 est alors possible d'ajuster le point zéro de ce convertisseur. Il peut, en outre, être prévu, pour ajuster l'amplification, de monter, parallèlement à l'électroaimant, une résistance variable. D'autres caractéristiques et avantages du convertisseur force/pression, ou courant électrique/pression, ressortent de la description ci-après, faite avec référence aux dessins, de modes de réalisation recommandés de l'invention. Dans les dessins, - les figures 1, 2 et 7 montrent des sections transversales de différents modes de réalisation d'un convertisseur force/pression suivant l'invention, - les figures 3 à 6 ainsi que 8 et 9 montrent des sections transversales de différentes formes de réalisation d'un convertisseur électrique/pression suivant l'invention. La figure 1 montre une coupe transversale d'un convertisseur force/pression, qui, dans son ensemble, est désigné par 1. I1 est constitué essentiellement de différentes parties 2 à 4 du carter, ainsi que d'un organe de commande 5 exécuté sous la forme d'une sphère. Cet organe de commande 5 est sollicité par la force F qui doit être convertie, au moyen d'une tige 6, d'une façon qui n'est pas illustrée plus en détail. Dans le carter, formé des pièces 2 à 4, sont prévues deux ouvertures circulaires 7 et 8. Par l'ouverture 7 de l'air arrive sous une pression constante p et par l'ouverture 8 l'air sort à la pression pO dimi- nuee. L'ouverture 7 présente un diamètre dl qui est plus grand que le diamètre d2 de l'ouverture 8. L'organe de commande 5 forme, comme il est montré, avec les ouvertures 7 et 8, des éléments d'étranglement, la pression PA qui s'établit à l'intérieur du carter ressortant de l'équation F 4 PA (dl2 - d22) Cette pression est prélevée par un passage 9, et est exactement inversement proportionnelle à la force appliquée. Comme il est aisé de s'en rendre compte, le convertisseur force/pression suivant l'invention est constitué d'un très petit nombre de pièces et garantit cependant une conversion exacte force/pression. L'organe de commande 5 peut avoir une masse très faible, de sorte qu'il est possible de convertir des forces très faibles. Un autre mode de réalisation d'un convertisseur force/pression suivant l'invention est représenté en figure 2. Ce convertisseur forcejpression est désigné dans son ensemble par 10 et est constitué de parties 11 à 13 du carter, dans lesquelles sont pratiquées des ouvertures de diamètres différents 14 et 15. L'organe de commande est constitué, dans ce cas, de deux pièces 17 et 18, de forme cylindrique, reliées ensemble par une barre 16, qui coopèrent avec les ouvertures 14 et 15 pour former des points d'étranglement. Dans ce mode de réalisation, la masse de l'organe de commande est encore diminuée, et en même temps, est obtenue une solution exempte de battements, car les corps cylindriqués 17 et 18 ne peuvent plus arriver en contact avec le carter. La force F est fournie à l'organe de commande au moyen d'une tige 19. Cette figure montre, en outre, une possibilité de suspension de l'organe de commande. I1 est utili sé, à cet effet, des éléments de fixation 20 et 21 élastiques, utilisant, de préférence, des fils ou des lames de ressorts. Cela permet non seulement de réaliser une suspension simple et un guidage rectiligne de cet organe de commande, mais bien plus aussi de produire en même temps une force de pré-tension. Ces modes de réalisation sont basés sur le même principe que celui de la figure 1, de sorte que des explications supplémentaires en ce qui concerne les différences de diamètre des orifices d'entrée et d'échappement sont superflues. La pression PA qui règne à l'intérieur du convertisseur est envoyée à l'extérieur par un passage 22. La figure 3 montre un convertisseur courant électrique/pression suivant l'invention. Ce convertisseur est construit sensiblement comme le convertisseur force/pression de la figure 1, et est constitue de parties du carter 26 à 28 pourvues d'ouvertures 24 et 25, ainsi que d'un organe de commande réalisé sous la forme d'une sphère et d'un organe de commande 29, pré-magnétisé. Cet organe de commande est entouré par un électro-aimant 30, qui est alimenté, en courant I qui doit être converti, par des conducteurs 31 et 32. Ce courant passe dans l'électro-aimant 30 et produit un champ magnétique qui exerce sur l'organe de commande une force qui est convertie, de la façon qui a été exposée déjà, à propos- de la figure 1, en une pression PA qui est prélevée au moyen d'une ouverture 33 du carter. On obtient, de ce fait, un convertisseur courant électrique/pression ayant les mêmes avantages que le convertisseur forcejpression représenté en figure 1, pour lequel il y a seulement à exécuter l'or- gane de commande sous la forme d'un aimant permanent et à prévoir un électro-aimant. Un autre mode de réalisation du convertisseur courant électrique/pression suivant l'invention est représenté en figure 4, en utilisant partiellement les mêmes références qu'en figure 3. L'unique différence réside en ce que l'organe de commande est composé ici de deux corps cylindriques 34 et 35. I1 est ainsi obtenu une solution exempte de battements La figure 5 montre aussi une configuration analogue, où l'organe de commande est constitué de deux demi-sphères 36 et 37, et d'un cylindre 38 placé entre elles. Ce mode de réalisation est représenté encore une fois en figure 6, où sont représentées aussi différentes possibilités de réglage. Ainsi, il est possible de produire une force de pré-tension, au moyen des fils 39 et 40, qui maintiennent et guident en même temps l'organe de commande.Le point zéro peut être ajusté au moyen d'un organe de manoeuvre 41, pendant que l'amplification peut être réglée au moyen d'une résistance variable R. Enfin, il peut être aussi envisagé une possibilité de déplacement, dans la direction de la flèche A de la partie 28 du carter, qui forme en meme temps un des sièges de soupape (ajustement du siège). Un autre mode de réalisation d'un convertisseur force/pression est représenté en figure 7. I1 est désigné dans son ensemble par 42, et comprend les parties de carter 43 à 46, dans lesquelles sont prévues des ou- ouvertures 47 à 49. Les ouvertures 47 et 48 ne sont pas ici obligatoirement circulaires, mais peuvent, au contraire, être accordées par la forme de leur section transversale à l'organe de commande exécuté sous la forme d'une plaqué plane 49. Cette plaque est reliée avec la tige 50 sollicitée par la force F, et peut, en principe, être d'une forme quelconque, par exemple rectangulaire. La section efficace de l'ouverture 48 est toutefois ici aussi, quelle que soit la forme de ltouverture, plus grande que la section efficace de l'ouverture 47. I1 est, en outre, possible de réaliser la plaque plane sous la forme d'un électro-aimant, pour obtenir un convertisseur courant electrique/pression. La figure 8 montre un convertisseur de ce genre, portant le chiffre de référence 51. Les parties du carter y sont désignées par 52 à 55, les ouvertures par 56 à 58, l'électroaimant par 59, et l'organe de commande (plaque plane), réalisé sous la forme d'un aimant permanent, par 60. Comme élément de fixation, il est utilisé un-fil 61. Enfin, en figure 9, est illustré encore une fois le même type de réalisation, en se servant toutefois pour la fixation d'un double ressort 62a, 62b (lames de ressort) monté ici d'un seul côté. REVENDICATIONS 10) Convertisseur force/pression comportant un organe de commande sur lequel agit la force qui doit être convertie, caractérisé en ce que l'organe de commande (5 ; 16 à 18 ; 29 ; 34, 35; 36 à 38 ; 49 ; 60) coopère, en formant des éléments d'étranglement, avec deux sièges de soupape (7, 8 ; 14, 15 ; 24, 25 ; 47 ; 48 56, 57) disposés sur les faces opposées de cet organe et dans le sens de l'action de la force, que l'une des soupapes (7, 14 ; 24, 48 ; 57) possède une section efficace plus grande que celle de l'autre (8, 15 ; 25 ; 47 ; 56) que l'un des sièges de soupape (7 ; 14 ; 24 ; 48 ; 57) est relié avec une arrivée d'air sous une pression constante, pendant que l'autre siège de soupape (8 ; 15 ; 25 47 ; 56) fonctionne comme échappement et que la pression proportionnelle à la force qui doit être convertie est prélevée entre les sièges de soupape. 20) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les sièges de soupape (7, 8 14, 15 ; 24, 25 ; 47, 48, 56, 57) possèdent une section transversale circulaire et que l'organe de commande (5, 16 à 18 ; 29, 34, 35, 36 à 38 ; 49 : 60) présente aussi, dans le plan des sièges de soupape (7, 8 ; 14, 15 ; 24, 25 ; 47, 48 ; 56, 57), une section transversale circulaire. 30) Convertisseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de commande est réalisé sous la forme d'une sphère (5 ; 29). 40) Convertisseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de commande est composé d'au moins deux parties (17, 18, 34, 35) de forme cylindrique. 50) Convertisseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de commande est composé de deux demi-sphères (36, 37) et d'un cylindre (3 & disposé entre elles. 60) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande (49, 60) est réalisé sous la forme d'une plaque plane. 70) Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe de commande (5 ; 16 à 18 ; 29 ; 34, 35 ; 36 à 38 ; 49 60) est suspendu avec des éléments de fixation élastiques en particulier des fils, des lames de ressorts ou des ressorts doubles (20, 21 ; 39, 40 ; 61, 62a, 62b). 80) Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que 1 t organe de commande (29 ; 34, 35 ; 36 à 38 ; 60) est réalisé sous la forme d'un aimant permanent et qu'il est influencé par un électro-aimant (30 ; 59), et qu'un courant, passant dans cet électro-aimant, exerce sur l'organe de commande (29 ; 34, 35 ; 36 à 38 ; 60), une force proportionnelle au courant. 90) Convertisseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'électro-aimant (30) peut être déplacé, par un élément de manoeuvre (41) dans la direction de déplacement de l'organe de commande. 100) Convertisseur suivant l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il est monté, parallèlement à l'électro-aimant (30), une résistance (R) variable. 110) Convertisseur force/pression suivant l'une des revendications 1 à 7, ou convertisseur courant électrique/pression suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'au moins un des sièges de soupape (28) peut être déplacé dans le sens axial.