Brevet FR2580833A1 — publié le 19861024

DISPOSITIFS DE REGULATION POUR POMPES DOSEUSES A PLUSIEURS CORPS ET APPLICATION DE CES DISPOSITIFS A LA CHROMATOGRAPHIE La présente invention a pour objet des dispositifs de régulation pour pompes doseuses à plusieurs corps et se rapporte à l'application dans les technique chromatographiques de ces dispositifs. Il existe de nombreux ensembles de pompage dont le rôle est de délivrer, avec précision dans le temps, une quantité constante de liquide ce qu, se traduit par un débit constant. Or, la meilleure solution trouve jusqu'à présent pour ce type de pompage doseur, est basée sur deux cylindres ou plus montés selon une grande variété d'agencements mais dont le principe peut se résumer approximativement de la façon suivante: chaque piston se déplaçant dans son cylindre assure une aspiration précise et un refoulement précis des lors que sa course est elle-même précise dans le temps.En associant au moins deux cylindres, on peut utiliser leurs performances pour se compléter et/ou se relayer par exemple lorsque l'un refoule au débit voulu, l'autre aspire puis lorsque le premier termine son mouvement linéaire de refoulement, l'autre prend le relais par un mouvement également linéaire de refoulement tandis que le premier aspire et ainsi de suite. Selon d'autres agencements, c'est en additionnant des débits non linéaires et déphasés l'un par rapport à l'autre que l'on obtient un débit total constant. On citera ainsi les divers documents suivants de l'art antérieur à titre illustratif. 1 - Dans la demande française 83/13995 du 31 août 1983 sont décrits des ensembles de pompage à trois cylindres montes en T sur une canalisation commune, les débits totaux se traduisant par des créneaux assurant des relais théoriquement parfaits et une cons tance du débit. 2"- Dans la demande allemande 27 25 464 du 4 juin 1977, trois cylin dres sont également montés en T sur une canalisation commune, mais agencés de sorte que les débits qui devraient être sinusoîdaux soient écrêtés, ce qui donne une série de durées à débit constant séparées par des raccords de régimes transitoires. 30 On peut également citer les pompes à plateaux oscillants comman dant une série de pistons animés de mouvements sinusoldaux, le débit total se traduisant par la somme de demi-sinusoTdaux et donnant un total d'autant plus constant et moins ondulé que le nombre des pistons et bien entendu des cylindres est plus élevé. C'est le cas, par exemple, dans la demande française 80/10916 du 14 mai 1980 et son addition 81/06018 du 25 mars 1981. Pour résumer, on peut donc dire que dans l'art antérieur, des lors que l'on fait appel à des ensembles de cylindres équipés de leurs pistons, on recherche des déplacements précis de pistons dans des alésages donnés selon des profils de vitesse également précis pour se traduire par des débits liquides précis, l'agencement des différents cylindres assurant un débit total théoriquement constant. De plus, une vitesse d'avancement linéaire de piston se traduit par un débit constant. On peut donc considérer que, dans la plupart des cas, 1'art antérieur recherche, au moins sur une large partie des temps de refoulement des cylindres, a profiter de cette constance de débit due à la linéarité de la vitesse. Le début et la fin de ce mouvement donnent lieu à deux types de "relais" entre cylindres successifs: - Dans un cas (document cite en 1 - ci-dessus par exemple), le mouvement du piston est linéaire de bout en bout; le débit de chaque cylindre au refoulement se traduit theoriquement par un créneau parfaitement rectangulaire à fronts extrêmes droits, les creneaux devant se succéder sans intervalle, ni chevauchement pour assurer une parfaite constante d'ensemble. - Dans l'autre cas (document cité en 20- ci-dessus par exemple), le débit est maintenu constant sur une partie du cycle, le début et la fin de chaque cycle ou partie de cycle se traduisant respec tivement par une montée et par une descente en débit, le total des différentes périodes transitoires des divers cylindres se tradui sant par une constance théorique. Mais dans ce cas également, il faut que la théorie soit suivie par un rapprochement des cycles ou parties de cycles des divers cylindres se traduit par une augmen tation de débit et leur écartement par une réduction. On remarquera également dans que des systyles où les différents débits ne sont pas constants (comme par exemple dans le document cité en 30- ci-dessus), on parvient e la même conclusion. La présente invention a donc pour but de remédier à ces graves inconvénients et d'assurer la constance du débit, notamment lors des relais entre cylindres. Pour fixer les idées, on se référera au cas plus simple représenté à la figure 1, c'est-à-dire un dispositif à deux cylindres à mouvement de piston au refoulement strictement linéaire. Il est évident que ce qui sera dit de l'invention appliquée à ce cas s'applique tout aussi bien, comme l'homme de l'art pourra aisément le faire, à plus de deux cylindres et/ou à des cylindres montés différemment avec des profils de vitesses de pistons non strictement linéaires au refoulement et/ou à l'aspiration. Il faut également souligner le fait suivant qui est applicable à tous les cas et sur lequel on reviendra à propos de la figure 1 lorsque le relais entre deux cylindres donne lieu à chevauchement, il y a augmentation de débit; on se trouve donc en présence d'une surpression et la compressibilité propre du liquide peut entrer en jeu. Par contre, lorsqu'il existe une lacune temporelle si courte soit elle entre les débits de cylindres se relayant, il y a chute de débit et bien entendu dans ce cas, la compressibilité du liquide joue moins et même ne joue pas si une baisse de pression voire une dépression apparaît à un moment du cycle. L'invention va donc être basée sur le principe de la recherche d'un chevauchement, à défaut de relais théoriquement assuré, pour profiter du surdébit et de la surpression pour assurer une régulation utilisant éventuellement la compressibilité du liquide. Pour ce faire, selon l'invention, on modifie le dispositif d'entraînement des pistons, par exemple des cames pour que le refoulement dure un peu plus longtemps que ne l'exige la théorie. Dans ce cas, toujours selon l'invention, on garde en mémoire le débit en période de constance pour constituer une consigne dans le dispositif de régulation et faire varier la vitesse de rotation lors des chevauchements de relais pour aplanir la montée en débit et assurer la constance. Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les avantages de la présente invention, on va en décrire des exemples de réalisation étant bien entendu oue ceux-ci ne sont pas limitatifs quant à leur mode -de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire. On se reportera aux figures suivantes qui représentent schématiquement: - la figure 1 un exemple de pompage à deux cylindres selon l'art antérieur; - la figure 2 des diagrammes de débit du systeme de la figure 1, selon l'art antérieur et modifiee selon l'invention en fonction du temps; - les figures 3 et 4 des schemas de variantes de dispositifs de régulation applicables, conformément à l'invention. A la-figure 1, deux cylindres 1 et 2 identiques équipés de pistons 3 et 4 identiques, sont montés en parallèle entre une source de liquide du côté 5, non représentée, et un appareil a alimenter du côté 6, non représenté. Des dispositifs de non-retour 7, 8, 9, 10, schématisés par des flèches obligent le liquide à circuler dans la direction de ces fleches sans retour possible. Les pistons sont entraînés par des cames 11 et 12 calées sur un axe commun 13, représentées ici très schématiquement. On rappellera que si l'axe 13 est animé d'un mouvement rotatif uniforme à l'aide d'un moteur non représenté et si l'on veut que les pistons soient animés de mouvement linéaires (notamment ici au refoulement), le profil correspondant de la came est en spirale arithmétique. On n'a pas représente pour simplifier les détails du dispositif cinématique came-piston au refoulement et a l'aspiration qui peut être de tout type classique. Si les cames 11 et 12 sont montées de sorte que lorsque le piston 3 aspire le piston 4 refoule et reciproquement, et ceci uniformément, le débit en 10 est constant pendant le refoulement par le piston 4, puis nul pendant l'aspiration, mais le débit en 8 est alors constant grâce au refoulement par le piston 3 et le relais est assuré. Il en est de même d'ailleurs du côté 7, 9 à l'aspiration. Ainsi, idéalement et théoriquement, débit total aspiré en 5 et débit total refoulé en 6 sont constants. C'est ici essentiellement la constance au refoulement en 6 qui est recherchée par exemple lorsqu'on veut alimenter un chromatographe en phase liquide. On notera que, dans ce cas, les pistons 3 et 4 sont strictement en opposition de phase et qu'ils pourraient être commandés par la même came avec le dephasage de n (180 ). A la figure 2a, on a représenté le diagramme théorique du débit en 10, en 8 et en 6 respectivement D1o, D8 et D6, les refoulements des pistons 4 et 3 se traduisant respectivement par les créneaux de débit R4 et R3 et au total par la constance de D6. En théorie, cette constance est parfaite et les relais entre R3 et R4 (marqués par les pointillés sur D6) se font sans anomalies. En pratique, on notera tout d'abord que les fronts ne sont pas rigoureusement verticaux, les systèmes cames-pistons ne respectant pas pour des raisons bien connues les changements instantanés de sens de vitesses linéaires entre aspirations et refoulements successifs. Apparaissent donc des fronts émoussés et légèrement inclinés (voir D'10, D'8 sur la figure 2). De plus, le calage des cames n'est pas toujours exact, ce qui entraine chevauchements et sur-débits ou lacunes et sous-débits (D'6). Sur la figure 2, D'8 est légèrement en retard par rapport à D'10 comme le montrent les pointillés d'où les alternances de pointes et de creux de débits. Conformément à l'invention, on va elargir les temps de refoulement pour qu'à défaut de relais strictement théorique, ils se chevauchent ne donnant que des sur-debits ce qui se traduit par des surpressions, la pression en 6 étant constante d'une part en théorie et, d'autre part, lorsque le débit cst constant, en pratique, (D"10, D"8, D"6, figure 2). A la figure 3, on a représenté schématiquement un premier mode de réalisation de regulation conforme à l'invention. Un amplificateur différentiel A reçoit d'une part une valeur de consigne de débit ou de vitesse CD et d'autre part les informations provenant du capteur D. La sortie de l'amplificateur A commande la vitesse du moteur M et conséquemment la vitesse des pistons et le débit capté par D, fonction de la vitesse. On obtient ainsi une boucle simple d'asservissement. Ce dispositif ne convient pas parfaitement en régimes transitoires. On retrouve à la figure 4, les mêmes éléments qu'à la figure 3 désignés par les mêmes références. On y trouve egalement une série de commutateurs K1, K2, K3 ainsi qu'un capteur de pression P monté sur la canalisation 6 et une capacité Q. Les commutateurs K1, K2, K3 fonctionnent comme suit. Au démarrage, les commutateurs K1, K2 sont en position haute, K3 est en position vers la gauche. L'amplificateur différentiel A est alors connecté d'une part via K1 à la recopie de vitesse en D (liée au débit) et, d'autre part via K2 à la consigne de vitesse (ou de débit) CD. Le moteur d'entraînement de la pompe prend alors la vitesse correspondant au débit de consigne, comme dans le cas précédent de la figure 3. Le capteur de pression P placé à la sortie de la pompe charge alors la capacité Q à la tension correspondant à la pression pendant les parties linéaires de fonctionnement de la pompe, c'est-à-dire au moment ou le débit est bien constant et correspond a la valeur désirée. Juste avant chaque inversion de sens de marche des pistons, ou avant ou durant le passage par une position non linéaire de la came 11, tout dispositif adequat connu non représenté sur la figure fait basculer les commutateurs K1, K2, K3. Le système de pompage se trouve alors monté en pompe à pression asservie, c'est-à-dire aue si l'on maintient ainsi la pression constante pendant cette période, les autres paramètres restant inchangés, le débit reste constant. Ainsi, la consigne de débit CD est remplacée par la consigne de pression mise en mémoire en Q et la recopie de vitesse en D est remplacée par la mesure de la pression P. Afin que débit et pression puissent s'établir normalement, ce dispositif n'entre en action qu'après établissement du débit. On notera qu'en appliquant ainsi les règles bien connues de la régulation, grâce à l'asservissement en débit (ou vitesse) ou en pression, si un sur-debit ou une surpression A apparaît et si ss est le gain de l'amplificateur, l'erreur résultant sur le débit ou la pression est de t/ffi. Si A est de 5% et ss de 250 par exemple, la stabilité est ainsi assurée à 0,02%, à condition que la puissance et les moments d'inertie soient correctement adaptes à l'application. On notera, de plus, que l'on peut imaginer d'asservir également le calage des cames pouvant ainsi créer une avance ou un retard au refoulement d'un cylindre par rapport à l'autre et ceci sans sortir du cadre de la présente invention. On conçoit aisément les transpositions de ces dispositifs sur les autres de l'art antérieur et, notamment, sur ceux cités plus haut et en particulier sur le premier auquel ils conviennent tout particulièrement. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de régulation pour pompe à plusieurs corps entraîné par un moteur caractérisé par le fait que l'alimentation de ce dernier est commande par un amplificateur différentiel A connecté, d'une part, à un capteur D de vitesse ou de débit et, d'autre part, à un dispositif de consigne de vitesse ou de débit CD. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractrisé par le fait que l'amplificateur différentiel A est connecté d'une part à un capteur de pression P, d'autre part à un dispositif de consigne de pression Cp lorsque la pompe passe par un régime non linéaire et/ou transitoire. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le dispositif de consigne de pression Cp est connecté au capteur de pression P pour mémoriser cette dernière pendant les périodes de fonctionnement à vitesse ou débit constant. 4.- Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, aux pompes de chromatographes.