Brevet FR2580040A1 — publié le 19861010

RÉPUBLIQUE FRAN AISE) N do publication: 2 580 040 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIETÉE INDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national 85 05186 PARIS (O Int CI4: F 15 B 15/18, 9/03. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION Al Date de dépôt: 4 avril 1985. ( Demandeur(s): Société dite: ELEKTROWA TT AG. - CH. ) Priorité: ) Inventeur(s): Hans-Michael Mayer. Date de la mise à disposition du public de la demande:BOPI Brevets n 41 du 10 octobre 1986. ) Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rns Titulaire(s): ( Mandataire(s): Cabinet Beau de Loménie. Positionneur électro-hydraulique pour régulation continue. @ Une pompe à armature vibrante 30, commandée par des À signaux alternatifs variables amenés par deux conducteurs 32, J manoeuvre un piston 14 rendu étanche par une membrane à déroulement 16 et agissant contre la force d'un ressort de rappel 26. La pompe aspire du liquide hydraulique 18 par une ouverture 40 et la refoule dans un espace de travail 24 par l'intermédiaire d'une soupape à-retour de flux 28. Il s'établit un équilibre qui fait que le positionneur convient pour une régula-. - tion continue. La soupape 28 est une soupape à membrane qui réagit à de I ou on on L Dt cc LLD Vente des fascicules à l'IMPRIMERIE NATIONALE, 27. rue de la Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 "Positionneur électro-hydraulique pour régulation continue". La présente invention concerne un positionneur électro-hydraulique pour régulation continue, comportant une pompe à armature vibrante pour un liquide hydraulique, o le liquide hydraulique refoulé déplace, en fonction d'un signal de positionnement amené, un organe de manoeuvre en agissant contre la force d'un ressort de rappel et comportant une soupape à retour de flux agissant en fonction de la pression. Un inconvénient essentiel dans les positionneurs connus de ce type est le fait que l'on amène, indépendamment l'un de l'autre, une tension d 'exploitation pour la pompe A armature vibrante et un signal de positionnement pour la commande de l'organe de manoeuvre, qui peut être par exemple un piston ou une membrane. L'organe de manoeuvre y est commandé soit par une commande marche-arrêt de la pompe, soit par l'influence de la pression produite par la pompe. Dans les deux cas, il faut comme conducteur d'amenée au positionneur deux paires de conducteurs électriques non échangeables entre eux. 20. Du fait que l'organe de manoeuvre travaille contre la force d'un ressort de rappel, il faut une soupape à retour de flux dépendant de la pression, avec fonction d'étran- glement, pour permettre le retour du liquide hydraulique refoulé parla pompe. Un-positionneur connu à partir du document FR- 2 324 914 présente comme soupape à retour de flux une soupape à commande électrique pour laquelle il faut un autre conducteur. Le document FR- 1 311 466 par contre présente un positionneur à retour de flux automatique sous forme d'une combinaison de soupape. Cette combinaison comporte une soupape manoeuvrée par un piston, qui se ferme en agissant contre la force d'un ressort de rappel pour une montée en pression du fluide refoulé par la pompe, ainsi qu'une soupape de maintien de pression chargée par un ressort et qui libère le trajet conduisant à l'organe de manoeuvre en cas de montée en pression. Ce positionneur connu non seulement a donc une structure compliquée mais présente également d'importantes pertes par fuites et pertes de pression. Un piston servant d'organe de manoeuvre est habituellement rendu étanche & l'égard du cylindre au moyen d'une garniture d'étanchéité du type joint torique ou garniture emboutie. Dans le cas des positionneurs travaillant contre la force d'un ressort, les forces de pression qui apparaissent avec ce type de garniture d'étanchéité causent une importante hystérésis qui rend à peine possible l'utilisation de ce positionneur pour une régu- lation continue. L'invention a donc pour objet de créer un posi- tionneur électro-hydraulique convenant pour régulation continue et ne nécessitant comme conducteur d'amenée qu'une unique paire de conducteurs. Selon l'invention, l'objet indiqué est atteint par le moyen que la pompe à armature vibrante est directement alimentée par le signal de positionnement amené sous forme d'un signal alternatif de tension variable, pour créer une pression variable du liquide hydraulique directement en fonction de la tension du signal de positionnement amené; et que la soupape de retour du flux est une soupape à membrane. Des formes préférées d'exécution se caractérisent comme suit: - la membrane de la soupape à retour de flux est disposée entre le côté pression de la pompe et l'espace de travail, étant précisé que du côté espace de travail est disposé un siège de soupape qui collabore avec la membrane et dont l'ouver- ture, que la membrane peut fermer, est reliée à un réservoir de liquide hydraulique. - la membrane présente, à l'écart de l'endroit qui collabore avec le siège de soupape, au moins une ouverture qui, lorsque la membrane, dans sa position de repos, s'appuie contre une surface, est obturée par cette surface. - le côté pression de la pompe est formé par un canal situé axialement en face du siège de soupape au centre de la membrane. - la membrane est un disque métallique circu- laire à paroi mince. - la soupape à retour de flux est montée, avec la pompe, au moins partiellement à l'intérieur d'un piston en forme de boisseau qui sert d'organe de manoeuvre et dont la tige de piston est fixée à la pompe. - le piston guidé dans un carter cylindrique est rendu étanche à l'égard de la paroi cylindrique au moyen d'une membrane à déroulIement ou d'un soufflet métallique tandis que la tige de piston est guidée et amenée hots du carter par l'intermé- diaire d'un joint torique faisant garniture d'étanchéité. i j - le réservoir-de liquide hydraulique est dis- posé du côté du piston opposé à l'espace de travail. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui. va suivre d'une exemple de réalisation et-en se référant aux- dessins annexes sur lesquels: d - la figure 1 représente un positionneur élec- tro-hydraulique, partiellement en coupe longitudinale, 20.:= - la figure 2 représente une coupe longitudinale de la soupape à retour de flux du positionneur dela figure 1, - la figure 3 est un schéma électrique de raccor- dement du positionneur, - - = _ -=- la figure 4 est une courbe de la caractéristique de travail d'une pompe à armature vibrante, la figure 5 est une courbe de la-caractéris- tique de travail-du positionneur et a- la figure 6 est une courbe de la caractéristique de travail du positionneur en fonction du temps. Le positionneur représenté sur la figure 1 est logé dans un carter constitué d'une partie cylindrique supérieure et d'une partie cylindrique inférieure 12. A l'intérieur du carter cylindrique est guidé-un piston creux 14, rendu étanche à l'égard de la paroi cylindrique au moyen d'une membrane à dérou- lement 16. L'espace situé Sous la membrane à déroulement 16 est un réservoir 20 partiellement rempli de liquide hydraulique 18. Au-dessus de la surface de liquide hydraulique 18 se trouve un ma- telas de gaz 22. L'espace situé au-dessus de la membrane à dé- roulement 16 est l'espace de travail 24. La membrane à déroulement 16 est bridée entre les flasques des deux parties cylindriques et 12. Le piston 14 est précontraint dans la direction de l'espace de travail 24 par la force d'un ressort de rappel 26 disposé à l'intérieur-du carter. A l'intérieur du piston 14 est disposée une pompe 30 à armature vibrante, à entraînement électrique et reliée à une soupape à retour de flux 28. Une ali- mentation 32, à deux conducteurs, de la pompe 30 à armature vibrante sort de la partie inférieure 12 du carter. Le piston 14 est relié,par l'intermédiaire de la soupape& retour de flux 28 et de la pompe à armature vibrante 30, à une tige 34 guidée dans une portée de guidage 36 liée à la partie inférieure 12 du carter, un joint torique 38 assurant l'étanchéité. La pompe 30 présente une ouverture d'aspiration qui se trouve toujours en dessous de la surface du liquide hydraulique 18, indépendamment de la position du positionneur. La soupape à retour de flux 28, reliée à la pompe 30, est reliée par une première ouverture 42 à l'espace de travail 24. Par une deuxième ouverture 44, la soupape à retour de flux 28 est reliée au réservoir 20, du fait que l'extrémité inférieure 46 du piston 14 en forme de cloche est ouverte. On peut également voir sur la figure 1 que le bord du piston 14 présente à son extrémité infé- rieure 46 un diamètre plus grand que le reste du piston, pour servir de guidage à l'intérieur de la partie cylindrique infé- rieure 12 du carter. La figure 2 représente en. détail la soupape à retour de flux 28. Cette soupape à retour de flux 28 présente un carter de soupape 48 relié à la pompe 30 avec interposition d'une membrane 50. La membrane 50 est un disque métallique cir- culaire de faible épaisseur. Le côté pression de la pompe 30 est formé par un canal 52 qui débouche coaxialement contre la face inférieure de la membrane 50. Dans sa position de repos, représentée sur la figure 2, le canal côté pression 52 est fermé par la membrane 50. Sur la face supérieure de la membrane 50 se trouve, en face du canal 52, un siège de soupape 54 relié à la deuxième ouverture 44 qui débouche dans le réservoir 20. En position de repos, la mem- brane 50 se trouve à une certaine distance du siège de soupape 54, de sorte que la deuxième ouverture 44 est reliée à un espace annulaire 58 disposé au-dessus-de la membrane 50. L'espace annu- laire 58 est relié en permanence avec la première ouverture 42, qui débouche dans l'espace de travail 24, par l'intermédiaire de canaux faisant des angles les uns par rapport aux autres. La mem- brane 50 présente, en dehors de son centre, au moins une ouverture de passage 60 qui, en position de repos de la membrane est fermée contre la surface supérieure de la pompe 30 La figure 3 représente un schéma électrique sur lequel le positionneur représenté sur la figure 1 est repéré par 62. Ce positionneur 62 est relié, par l'intermédiaire d'une ligne de liaison 32 à deux conducteurs, à un régulateur 64 qui de son côté présente un raccordement au réseau 66 et qui est relié à un détecteur 68. Le détecteur 68 peut par exemple atre un détecteur de température. Le régulateur 64 est prévu pour assurer une régu- lation continue et fournit donc, par l'intermédiaire de la ligne 32, un signal de positionnement continuellement variable au posi- tionneur 62, prévu pour le réglage d'un organe de réglage, par - exemple d'une vanne ou d'un volet. Le signal de positionnement est un courant alternatif à tension variable de forme sinusoïdale, rectangulaire ou en dents de scie. On peut échanger entre eux, sans inconvénient, les deux conducteurs de la ligne de liaison 32 reliant le régulatleur 64 et le positionneur 62. Le signal de positionnement est amené au positionneur 62 de la pompe à arma- ture vibrante 30, supposée connue. La figure 4 représente, sur une courbe, la caractéristique de travail de la pompe à armature vibrante, sous forme de caractéristique 70, l'axe des abscisses indiquant la tension d'alimentation en pourcentage et l'axe des ordonnées indiquant la surpression en pourcentage. La figure 5 représente la caractéristique de travail du positionneur, l'axe des abscisses indiquant la tension d'alimentation et l'axe des ordonnées indiquant la course de la tige 34. La caractéristique correspondante 72 est dessinée en double, pour représenter qu'il existe une hystérésis & une distance 74. La figure 6 représente la caractéristique de travail du positionneur en fonction du temps sous forme des carac- téristiques à 50, 60, 70 et 80 pour cent de la tension d'alimen- tation. Sur cette figure l'axe des abscisses est l'axe du temps, tandis que l'axe des ordonnées indique la course en pourcentage. On va expliquer ci-dessous le mode d'action du positionneur à l'aide des figures 1 et 2. Si on amène à la ligne. d'alimentation électrique 32 un signal électrique de tension alter- native, de fréquence appropriée et de valeur suffisante, la pompe à armature vibrante 30 commence à travailler. Elle aspire du liquide hydraulique 18 dans le réservoir 20 par l'intermédiaire de l'ouverture d'aspiration 40 et le refoule dans l'espace de travail 24 par la soupape à retour de flux 28 et par la première ouverture 42. Pour que le liquide hydraulique ainsi refoulé trouve place, il faut que le piston 14, avec la membrane à déroulement 16, la soupape à retour de flux 28, la pompe 30 et la tige 34, se déplace vers le bas de façon correspondante en direction de la portée de guidage 36. Ce déplacement se poursuit Jusqu'à ce qu'il se produise un équilibre entre la pression d'alimentation de la pompe 30 ou la force du piston qui lui correspond et la contre-force du ressort de rappel 26. Si l'intensité du signal électrique de tension variable diminue, la pression de refoulement produite par la pompe s'abaisse conformément à la caractéristique de travail de la figure 4. A ce moment là, du fait dela contre-force du ressort de rappel, la pression régnant dans l'espace de travail 24 est supé- rieure à la pression de la pompe. Dans ce cas la soupape à retour de flux 28 laisse du liquide hydraulique repasser dans le réservoir par la deuxièmte ouverture 44.'Le piston 14 revient alors et le ressort de rappel 26 se décharge jusqu'à ce qu'il s'établisse à nouveau un équilibre. La soupape à retour de flux 28 selon la figure 2 y travaille comme suit: lorsque la pompe 30 commence à refouler du liquide hydraulique par le canal côté pression 52, la membrane 50 va tout d'abord se cintrer dans sa zone médiane Jusqu'à venir s'appuyer contre le siège de soupape 54 et fermer la deuxième ouverture 44. Ensuite la membrane va continuer à se cintrer dans l'espace annulaire 58 jusqu'à ce que les ouvertures de passage 60 décollent de la surface frontale de la pompe 30 et que du liquide hydraulique soit refoulé dans l'espace de travail 24 par la première ouverture 42 (figure 1). Lorsqu'il s'établit un équilibre entre la force du piston et la contre-force du ressort de rappel 26, le refoulement du liquide cesse. La pression devant et derrière la membrane 50 s'équilibre à-peu-près de ce fait, la membrane 50 décol- lant légèrement du siège de soupape 54 et un très faible débit de fuite de liquide hydraulique pouvant s'échapper dans le réservoir 20 par la deuxième ouverture 44. Si la pression de refoulement de la pompe 30 s'abaisse, la pression qui règne dans l'espace de travail 24 lui devient supérieure et ramène la membrane 50 à sa position de repos. Elle décolle alors du siège de soupape 54 et libère l'ouverture de retour 44 par laquelle maintenant du liquide hydraulique retourne dans le réservoir 20 jusqu'à- ce qu'il s'établisse un nouvel équi- libre. On peut influencer de façon simple la sensibi- lité et le débit de passage de la soupape à retour de flux 28 en choisissant correctement ses dimensions. De préférence la pompe à armature vibrante 30 est dimensionnée pour une tension nominale de par exemple 220 V ou 24 V pour une fréquence de 50 Hz. Le signal à fournir par le régulateur 64 devrait présenter une tension située entre environ 30 Z et 100 Z de la tension nominale. Ceci peut se faire sous forme d'une modification de la tension sinusoïdale, par exemple au moyen d'un transformateur de régulation ou par une commande à retard de phase. Dans le ces du positionneur conforme à l'invention, on utilise la caractéristique de travail continue, dépendant de la tension, de la pompe hydraulique à armature vibrante pour ob- tenir une possibilité de régulation continue du positionneur 62. La soupape à retour de flux 28 décrite à l'aide de la figure 2 est en mesure de travailler fiablement pour de très faibles différences de pression, du fait qu'elle ne présente comme organe de coupure qu'une unique pièce mobile, à- savoir la membrane 50 qui se déplace sans frottement. L'utilisation de la membrane 16, qui est de pré- férence une membrane à déroulement à paroi mince, pour l'étanchéité du piston 14 oppose à peine une résistance à l'action du piston 14, de sorte qu'il ne faut que de faibles forces d'avance. Pour des petites courses, on peut également employer des soufflets métal- liques, qui travaillent sans frottement. L'emploi d'une membrane à déoulement ou d'un soufflet ainsi que l'exécution de la soupape à retour de flux avec membrane comne unique élément mobile cons- tituent des conditions préalables essentielles pour obtenir une caractéristique continue de travail dans le cas d'un positionneur alimenté par deux conducteurs seulement et travaillant contre la force d'un ressort de rappel. GrAce à l'invention non seulement on simplifie donc la construction d'un tel positionneur, mais on simplifie éga- lement son installation électrique dans l'installation à réguler. En outre le peu de pièce mobiles garantit une exploitation largement sans incident. Bien entendu diverses modifications peuvent &tre apportées par l'home de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'itre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadré de l'invention. REVENDICATIONS 1. Positionneur électro-hydaulique pour régulation continue, comportant une pompe à armature vibrante (30) pour un liquide hydraulique (8), o le liquide hydraulique refoulé déplace, en fonction d'un signal de positionnement amené, un organe de manoeuvre (14) en agissant contre la force d'un ressort de rappel (26) et comportant une soupape & retour de flux (28) agissant en fonction de la pression, caractérisé en ce que la pompe à armature vibrante (30) est directement alimentée par le signal de position- nement amené sous forme d'un signal alternatif de tension variable, pour créer une pression variable du liquide hydraulique (18) direc- tement en fonction de la tension du signal de positionnement amené; et en ce que la soupape à retour de flux (28) est une soupape à membrane. 2. Positionneur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la membrane (50) de la soupape à retour de flux (28) est disposée entre le côté pression (52) de la pompe (30) et l'espace de travail (24) de l'organe de manoeuvre (14) ou un espace (58) relié & l'espace de travail (24), étant précisé que du côté espace de travail est disposé un siège de soupape (54) qui collabore avec la membrane (50) et dont l'ouverture (44), que la membrane (50) peut fermer, est reliée & un réservoir (20) de liquide hydraulique (20). - -3. Positionneur selon la revendication 2, carac- térisé'en ce que la membrane (50) présente, & l'écart 'de l'endroit qui collabore avec le siège de soupape (54), au mtoins une ouver- ture (50) qui, lorsque la membrane (50), dans sa position de repos, s'appuie contre une surface, est obturée par cette sur- face. 4. Positionneur selon la revendicatioa 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le cté pression de la pompe (30)-est formé par un canal (52) situé axialement en face du siège de soupape (54) au centre de la mbrane (50). 5. Positionneur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la membrane (50) est un disque métallique o10 6. Positionneur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la soupape à retour de flux (28) est montée, avec la pompe (30), au moins partiellement à l'intérieur d'un piston en forme de boisseau qui sert d'organe de manoeuvre et dont la tige de piston (44) est fixée à la pompe (30). 7. Positionneur selon la revendication 8, carac- térisé en ceoque le piston (14) guidé dans un carter cylindrique (10, 12) est rendu étanche à l'égard de la paroi cylindrique au moyen d'une membrane à déroulement (16) ou d'un soufflet métallique tandis que la tige de piston (34) est guidée et amenée hors du carter (12) par l'intermédiaire d'un Joint torique (38) faisant garniture d'étanchéité. 8. Positionneur selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le réservoir (20) de liquide hydraulique (18) est disposé du c6té du piston (14) opposé A l'espace de travail (24). Pl.1/2 28 42 2/+ 4Z n Fïg.- ", r5gOiFig.3 Xg.2 k 36 34 Fiq.1 Fig.3 400- 8o Fig.4 4- 0 60. 0o ooO- O % - - Fig.5 E - - 0'o Zo 40 GO & t100% to Sa u - r 70% Fig.6 r,,,o' %