Brevet FR2582417A1 — publié le 19861128

? L'invention concerne la commande des pompes submersibles utilisées pour le relevage et l'évacuation d'eau, ou de façon générale tout liquide con- ducteur de l'électricité, à l'aide d'électrodes et d'un circuit électro- nique approprié. Les moyens connus les plus souvent utilisés sont des dispositifs à flotteur commandant un interrupteur en série avec l'alimentation électrique du moteur de la pompe, lequel interrupteur se ferme pour une position haute du flotteur et s'ouvre pour une position relativement basse. D'autres moyens connus utilisent déjà deux électrodes extérieures A la pompe aux deux niveaux cités ci-dessus et une troisième électrode commune constamment dans le liquide, associées à un circuit électrique en relais pour commander le moteur. Tous ces dispositifs connus présentent l'inconvénient d'être à l'extérieur, ce qui augmente l'encombrement et présente aussi des risques d'endommagement par des chocs. On connait par le brevet français n 2 460 403 une solution avec des électrodes placées à l'intérieur de la crépine d'aspiration d'une pompe, mais qui se trouve mal adaptée au cas d'une pompe submersible dont la crépine est large et de faible hauteur. En effet, en fin de pompage, de l'air commence à cheminer horizontalement vers l'orifice d'aspiration selon une direction imprévisible car l'air peut entrer en un point quelconque de la périphérie de la crépine, l'axe de la pompe n'étant pas toujours vertical. De l'air peut ainsi pénétrer dans la pompe sans passer sur l'élec- trode interne dont le rôle est de couper le circuit du moteur. En fait il y a là un problème fondamental à résoudre pour l'utilisa- tion d'une pompe submersible, et dont on appréciera mieux l'importance par l'explication qui va suivre, en se reportant au dessin annexé représentant la partie basse d'une telle pompe selon'une coupe passant par l'axe de rotation. Lors d'un fonctionnement normal de la pompe, il n'y a pas d'air dans la chambre de la turbine entièrement remplie de liquide. Dans l'espace annulaire de la chambre balayé par les aubes 1 en rotation, le liquide est fortement accéléré et se trouve projeté par la force centrifuge à la péri- phérie de la roue dans le collecteur annulaire 2 o sa vitesse se trans- forme en pression. Le liquide monte dans le tuyau de refoulement 3 avec un 8 2417 débit qui dépend de la section de passage dans le tuyau et de la hauteur de la colonne de liquide entre le collecteur et l'orifice supérieur d'évacua- tion à la pression atmosphérique. Dans l'espace cylindrique 4 de la chambre qui s'étend depuis l'axe de rotation jusqu'aux extrémités intérieures des aubes, le liquide est soumis à la dépression créée par la chasse centrifuge qui l'entoure, il se trouve à son tour entrainé dans l'espace d'accéléra- tion centrifuge et cède la place au liquide inférieur qui monte dans l'espace central, à travers le trou 5 situé dans la cloison inférieure 6 de la chambre de turbine. Lorsque le niveau du liquide pompé baisse et atteint le niveau du trou d'aspiration 5, de l'air commence à entrer, monte et s'accumule en haut de la partie centrale de la chambre à cause de sa très faible densité. C'est cette propriété bien connue de la centrifugation des fluides qui permet de séparer les éléments lourds recueillis à la périphérie et les éléments légers près de l'axe de rotation. Avec une vitesse très lente de la roue on observerait la formation d'un vortex, surface de séparation liquide/air en forme de c8ne autour de l'axe de rotation. Avec la vitesse normalement élevée de la roue, le régime d'écoulement est fortement turbulent et la surface de séparation est très floue et fluctuante, mais existe néanmoins. Cela explique que lorsqu'un volume suffisant d'air se trouve emprisonné dans la région centrale de la chambre, la surface de séparation 7 est telle qu'une partie réduite de la surface des aubes brasse le liquide à leur périphérie. La pression du liquide dans le collecteur baisse progressive- ment à mesure que la surface active des aubes diminue et que le volume d'air augmente, jusqu'au moment o le débit de liquide s'annule. La pompe est désamorçée et continue à tourner avec comme seul effet d'équilibrer la pression hydrostatique de la colonne de liquide contenu dans le tuyau 3. L'inconvénient majeur de ce désamorçage est que l'air enfermé dans la partie centrale de la roue ne peut s'échapper aussi longtemps que tourne la pompe, et le liquide peut remonter à l'extérieur de la pompe sans qu'elle reprenne son rôle de pompage. Cela est bien connu avec ce type de pompe et necessite de commander l'arrêt du moteur pour un niveau extérieur assez haut, alors qu'il serait intéressant de profiter de la position très basse du trou d'aspiration pour épuiser presque complètement la nappe de liquide, par exemple jusqu'à moins d'un centimètre au lieu de plusieurs centimètres lorsque des dispositifs extérieurs commandent l'arrêt du pompage. 8 241 Le dispositif selon l'invention évite cet inconvénient majeur par la combinaison d'un choix Judicieux de J'emplacement de l'électrode d'arrêt de la pompe et de l'utilisation d'un circuit électronique particulier qui délivre un courant de très faible intensité pendant seulement la durée du pompage, créditant ainsi ladite électrode d'une grande durée de vie et cela malgré la faible dimension de sa partie active necessitée par le peu de place disponible pour la loger; une particularité essentielle du circuit est de répondre en un temps très court à une faible augmentation de la résistance de contact de l'électrode donc de couper au plus tôt la pompe à partir des premières bulles d'air brassées avec le liquide dans la zône sensible de l'électrode. D'autres résultats appréciables sont obtenus avec l'invention: il n'y a aucun organe de réglage car le fonctionnement est indépendant de la valeur de la conductibilité électrique des liquides utilisés habituellement; en outre le nombre de composants est faible. Tout cela permet de réaliser un dispositif bon marché en rapport avec le faible coût de ce type de pompe, et peu encombrant pour pouvoir être placé à l'intérieur même de la pompe, ce qui conserve le cablage électrique extérieur habituel lorsqu'il n'y a pas de commande automatique. On trouvera maintenant la description détaillée du dispositif selon l'invention, en s'aidant du dessin annexé. En plus des éléments déjà décrits et qui appartiennent à une pompe submersible classique, ceux mis en oeuvre par l'invention sont les suivants: Un ensemble d'électrodes qui comprend: - une première électrode commune 8 isolée ou non, dont une extrémité dénudée 9 se trouve dans la partie la plus basse de la crépine cylindri- que 18 (dont les détails connus ne sont pas représentés) aux environs de son centre; elle est branchée à son autre extrémité à la borne 21 d'un boitier électronique 20; le cheminement du fil non représenté est quelconque dans ou en dehors du corps de pompe selon la solution adoptée pour l'emplacement du boitier 20, - une deuxième électrode 10 isolée du corps de pompe, dont l'extrémité dénudée 11 prend le contact avec le niveau supérieur du liquide pour déclencher le début du pompage; elle est branchée à son autre extrémité a la borne 22 du boitier 20, - une troisième électrode 12 isolée du liquide A l'exception de son 8 2 4 1 7 extrémité dénudée 13 qui est destinée au passage du courant électrique pour le maintien du pompage; cette électrode 12 passe dans la crépine, pénètre par le trou d'aspiration 5 et remonte dans la partie centrale 4, de façon que la portion dénudée 13 soit assez haut et près de l'extrémité 14 de l'axe d'entraînement de la roue, c'est à dire dans le premier volume d'air formé dont la surface de séparation 15 avec le liquide n'at- teint pas encore les aubes 1 de la roue; l'autre extrémité de l'électrode 12 est branchée à la borne 23 du boitier 20. Le boitier électronique 20 comprend deux parties essentielles inter- connectées: a) un premier transistor 27 de type PNP a son émetteur relié à la borne 26 correspondant au p8le positif d'une tension continue d'alimentation; son collecteur est relié à une impédance de charge 28 branchée entre les bornes de sortie 24 et 25 sur lesquelles est recueillie la tension des- tinée à un amplificateur de puissance, connu de l'homme de l'art et non représenté sur le dessin; il suffit de comprendre que le moteur fonc- tionne lorsqu'une tension positive apparait sur la borne 25 par rapport au p8le négatif de l'alimentation relié à la borne 24 elle-même reliée à la borne 21 de l'électrode commune 8, et que le moteur s'arrête quand ladite tension disparaît parce que le transistor 27 ne conduit plus. Un condensateur 29 de faible capacité entre l'émetteur et la base filtre d'éventuels parasites qui pourraient déclencher la conduction du tran- sistor. Un pont constitué d'une résistance 30 de faible valeur et d'une résistance 31 plus forte sert à la polarisation base/émetteur ainsi qu'au branchement de l'électrode de démarrage 10 sur la borne 22. b) un deuxième transistor 32 de type NPN a son collecteur relié par une résistance 33 à la base du transistor 27; son émetteur est relié à la borne 23 o arrive l'électrode d'arrêt 12; un condensateur 34 de faible capacité entre les bornes 21 et 23 filtre d'éventuels parasites; une diode 35 est branchée en parallèle sur la diode émetteur/base du transistor et dans le sens inverse; la base du transistor 32 est aussi reliée au collecteur du transistor 27 à travers une résistance 36 de forte valeur et un condensateur 37 en parallèle, dont la capacité est nettement plus élevée que celle des condensateurs 29 et34. Le fonctionnement de l'ensemble du dispositif selon l'invention est alors décrit ci-dessous. 8 2417 La pompe étant arrêtée, les électrodes 8 et 12 sont noyées dans le liquide mais l'électrode 10 est dans l'air. Les transistors 27 et 32 sont bloqués, il n'y a pas de tension sur les bornes 23 et 25, et l'électrode 10 est à la tension positive de l'alimentation. Le liquide montant au niveau de l'électrode 10, le contact obtenu déclenche la conduction du transistor 27 et la pompe démarre, cependant qu'un courant s'établit dans la base du transistor 32 qui conduit à son tour et verrouille la conduction du transistor 27 bien avant que l'électrode 10 ne perde le contact du liquide baissant de niveau. Le fonctionnement de la pompe est entretenu par le très faible courant d'émetteur du transistor 32 qui passe entre les électrodes 8 et 12 à travers le liquide dans la partie 4 de la roue. Pendant le fonctionnement une certaine tension positive apparait sur l'émetteur du transistor 32, variable selon la conductibilité du liquide, et la tension de la base suit celle de l'émetteur si bien que le condensa- teur est chargé sous une tension qui reflète la valeur de cette conductibi- lité. Dès que la pompe commence à aspirer de l'air et que la résistance apparente entre les électrodes tend à augmenter, le condensateur 37 impose sa tension alors que celle de l'émetteur s'élève: le transistor 32 se bloque, entraînant le blocage du transistor 27 et l'arrêt de la pompe. A ce moment le résidu de liquide dans la pompe s'écoule ce qui libère le peu d'air emmagasiné; l'extrémité 13 de l'électrode 12 pourra de nouveau être au contact du liquide pour un prochain cycle déclenché par la montée du niveau jusqu'à l'électrode 10. On voit ainsi que la coupure de la pompe se produit avant que la quantité d'air admise ne fasse baisser la pression hydrodynamique créée par les aubes de la roue. On remarque que le choix des valeurs des résistances 30 et 31 est tel que le courant qui passe dans l'électrode 10 pendant le court instant o elle agit est assez fort, de l'ordre de plusieurs milliampères, comparé à celui de moins de 0,1 mA dans l'électrode d'entretien; mais l'intérêt de ce branchement est d'empêcher une prolongation d'action de l'électrode 10 dans l'air par des courants de fuite avec la surface mouillée de la pompe, par exemple dans le cas d'un liquide très conducteur. Cette électrode peut aussi avoir une certaine longueur afin de placer son extrémité au niveau choisi pour le début du pompage. 8 2417 D'autres variantes de réalisation sont possible en restant dans le cadre de la présente invention. L'électrode commune 8 peut être supprimée lorsque la pompe comporte une structure métallique au contact du liquide, dans ce cas il suffit de brancher la borne 21 à cette structure. Un autre mode de réalisation intéressant consiste à supprimer l'élec- trode 12 et utiliser l'extrémité métallique 14 de l'axe d'entraînement de la roue lorsque cette dernière est en matière isolante. Dans ce cas l'axe d'entrainement électriquement conducteur doit être isolé de la structure de la pompe, et son extrémité supérieure 15 tourne sur un contact 16 branché à la borne 23 du boitier 20, de telle sorte que l'extrémité 14 au centre de la roue joue le même rôle que l'extrémité 13 de l'électrode 12. Par ailleurs, en ce qui concerne le circuit électronique, il est évi- dent pour l'homme de l'art qu'on peut utiliser un circuit équivalent en inversant toutes les polarités; c'est à dire, utiliser un transistor 27 de type NPN et un transistor 32 de type PNP, inverser les polarités de l'ali- mentation(bornes 24 positive et 26 négative), et inverser la diode 35. Les courants circulent en sens inverse dans les électrodes mais le fonctionne- ment de l'ensemble est inchangé. Une particularité intéressante de cette configuration est que l'extrémité active 13 de l'électrode d'arrêt 12 (ou l'extrémité 14 de l'axe de la roue) joue le rôle d'une cathode et ne subit aucune dissolution électrolytique, ce qui supprime le problème de sa durée de vie. Seule l'électrode 8 joue le rôle d'anode, mais sa dissolution ano- dique très faible est sans inconvénient car on n'est pas limité par l'en- combrement de sa surface active. A titre d'exemple, dans un dispositif réalisé suivant l'invention, la source de tension continue avait une tension de 12 volts, obtenue par transformation, redressement et filtrage à partir du secteur 220 volts alimentant par ailleurs le moteur de la pompe. L'impédance de charge 28 était la bobine d'un relais commandant le moteur. Le courant dans les élec- trodes 8 et 12 pendant le pompage était limité aux environs de 80 micro- ampères pour une résistance apparente du liquide variable d'environ 1000 à 000 ohms suivant la nature du liquide. Le temps de réaction de coupure du circuit était de l'ordre d'une fraction de milliseconde, pour une augmentation de la résistance apparente d'environ 20%. L'ensemble de ce fonctionnement était ainsi très satisfaisant. 8 24 1' Il est important de noter que ces bonnes performances obtenues avec un circuit comportant aussi peu de composants résident dans le choix de ces derniers. En effet deux fonctions doivent être assurées: - une fonction d'amplification d'un signal analogique faible représen- tant les variations de résistance apparente entre les électrodes, - une fonction de commutation des bornes 22 et 23 (ce que ferait un relais automaintenu), qui necessite normalement deux autres transistors montés en bascule. La réduction à un ensemble de deux transistors seulement pour les deux fonctions est obtenue en choisissant la polarisation du transistor 27 telle qu'il conduise en limite de saturation pour un courant collecteur défini par l'impédance 28 et la tension d'alimentation, ce qui détermine les valeurs des résistances 30 et 31 qui doivent dériver une partie du courant de commande délivré par le transistor 32; le courant collecteur de ce dernier transistor dépend peu de la nature du liquide car la résistance 33 est environ dix fois plus forte que la résistance apparente entre les électrodes 8 et 12. Le décrochage très rapide et irréversible de la con- duction du transistor 27 est assuré par la transmission d'une baisse de sa tension collecteur, à travers le condensateur 37, sur la base du transistor 32 en bloquant rapidement ce dernier puis le transistor 27 à sa suite. Ainsi les deux transistors travaillent simultanément en régimes d'amplifi- cation et de commutation. On dispose donc d'un circuit performant dont le coût est faible par rapport à des circuits plus classiques. 2 5 8 2 4 17 258241? R E V E N D I C A T IONS 1. Dispositif de commande d'une pompe submersible, utilisant une électrode commune 8 constamment noyée, une électrode 10 de qiveau haut pour le démarrage, une électrode 12 de niveau bas pour l'arrêt du pompage, caractérisé en ce que l'électrode d'arrêt 12, isolée sur presque toute sa longueur, chemine sous une cloison inférieure 6 fermant la chambre de la turbine, pénètre par un trou d'aspiration 5 dans la chambre, remonte dans l'espace central cylindrique 4 délimité par les bords verticaux intérieurs des aubes 1 de la roue de turbine, et comporte une extrémité dénudée 13 située aux environs du centre dudit espace central o peut s'accumuler de l'air entré dans la chambre; l'autre extrémité de l'électrode 12 est bran- chée à une borne 23 d'un circuit électronique 20 qui lui fournit un très faible courant continu se refermant par l'électrode commune 8; ledit courant n'existe que pendant les phases de pompage et présente la particu- larité de transmettre au circuit 20 le signal pour couper le moteur quand son intensité fluctue sous l'action de l'émulsion d'eau et d'air passant sur l'extrémité 13 de l'électrode 12. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue de turbine est en matière isolante de l'électricité, et l'axe métal- lique d'entraînement de la roue remplace l'électrode 12 avec son extrémité 14 au contact du liquide dans l'espace 4 de la roue, son extrémité supé- rieure 15 tournant contre un contact fixe 16 branché au circuit 20 comme le serait l'électrode 12. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit électronique 20 comprend: - un premier transistor 27 dont la base reçoit le signal de démarrage par l'électrode supérieure 10 à travers un pont de deux résistances et 31 branchées entre émetteur et base, et dont le collecteur alimente une impédance de charge 28 aux bornes de laquelle est pré- levée la tension de commande du moteur de pompe; la valeur de la résistance 31 est choisie de telle sorte que ce transistor conduise la limite de saturation de son courant collecteur, - un deuxième transistor 32, dont le type(PNP ou NPN) est inverse de celui choisi pour le premier transistor 27; son collecteur est relié 8 2417 par une résistance 33 à la base du transistor 27; son émetteur est relié à l'électrode d'arrêt 12; sa base est branchée, à travers une résistance 36 et un condensateur 37 en parallèle, au collecteur du transistor 27; une diode 35 relie émetteur et base du transistor 32 dans le sens inverse de la diode émetteur/base, - une source d'alimentation continue branchée entre l'émetteur du pre- mier transistor 27 et l'extrémité de la charge 28 opposée à celle reliée au collecteur, les polarités étant choisies en fonction du type de ce transistor; l'extrémité de la charge 28 non reliée au collecteur est branchée à l'électrode commune 8.