Brevet FR2588393A1 — publié le 19870410

"CENERUrEUR DE DEBIT" La présente invention concerne un procédé pour contrôler le débit d'un fluide à travers une vanne à clapet mobile dans lequel on mesure d'une part la pression du fluide et d'autre part la position du clapet mobile, on calcule le produit de ces deux mesures représentant un nombre proportionnel au débit effectif du fluide à travers la vanne, puis on compare le produit de ces deux mesures à une valeur de consigne de manière à commander le déplacement dudit clapet dans un sens ou dans 1 'autre suivant le signe de la différence entre le produit des deux mesures et de la valeur de consigne. Elle concerne également un générateur de debit d'un fluide piloté électriquement. On connaît déjà, ainsi qu'il est décrit dans la demande de brevet européen 0086259, un générateur de débit de gaz comportant un orifice traversé par le gaz s'écoulant d'une chambre amont, où règne une pression amont, à une chambre aval où règne une pression aval, cet orifice etant plus ou moins obturé par un clapet mobile commandé électriquement. Ce clapet laisse ouvert un passage de surface déterminée par la position du clapet. On mesure la position du clapet mobile pour obtenir un premier signal électrique représentant cette position et on mesure également la différence entre la pression amont et la pression aval, pour fournir un second signal électrique représentant cette différence de pression.Ces deux signaux. sont appliqués à deux entres respectives d'un circuit électrique de calcul qui fournit à sa sortie un signal correspondant au débit effectif du gaz. Ce dernier signal peut être alors comparé à un signal de consigne et le signal d'erreur résultant peut être utilisé pour commander un déplacement du clapet mobile tel que l'on obtienne un débit prédéterminé correspondant à la valeur du signal de consigne. Un générateur de débit comportant deux capteurs de pression ou un capteur de pression différentiel auquel on applique le fluide amont et le fluide aval sont également décrits dans les articles SIENENS-ZEITSCERIFT, vol. 41, n . 8, août 1967, pages 692-695, Erlangen (DE) ; KURT EWE: "Betriebserprobung eines Segmentblendenschiebers als Nessgeber und Stellglied für Durchflüsse in extrem grossen Bereichen", REGELUNGSTECHNISCHE PRAXIES, vol. 19, no. 4, avril 1977, pages M17-M20, R. Oldenbourg Verlag, Munich (DE) ; G. STRDHZ gN : : "Lösungen von MSR-Aufgab en" et C0NGNRDL ENGINEERING, vol. 10, no. 9, septembre 1963, pages 101-105, New YOrk (USA) ; G. HARPER : "Gas flow control a fresh viewpoint". Un tel générateur de débit de fluide présente I'inconvénient d'exiger deux capteurs de pression pour mesurer respectivement la pression amont et la pression aval, si bien que ce générateur est relativement cceplexe et onéreux. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en procurant un procédé pour contrôler le débit d'un fluide ainsi qu'un générateur de débit particulièrement sinoples et permettant un temps de réponse très court. A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la pression du fluide (P1) en amont de la vanne est choisie supérieure ou égale à deux fois la pression du fluide (P2) en aval de la vanne, de sorte que 1 'écoulement du fluide à travers la vanne est un écoulement sonique et en ce que l'on mesure la pression du fluide uniquement en amont (P1) de la vanne. Du fait que la pression d'alimentation amont est choisie supérieure à deux fois la pression d'utilisation aval et que ltecoulement du fluide dans la vanne est sonique, le débit de fluide traversant cette vanne est proportionnel à la fois à la section de passage de la vanne et à la pression d'alimentation amont. I1 suffit donc de relever uniquement la pression d'alimentation amont pour pouvoir obtenir, par multiplication de la valeur de cette pression par celle de la section de passage, c'est-à-dire en fait la position axiale du clapet mobile, la valeur du débit traversant la vanne. le générateur de débit de fluide suivant l'invention est considerablement simplifié par rapport au générateur connu antérieurement puisqu'il met en oeuvre un seul capteur de pression destiné à relever uniquement la pression d'alimentation amont. Ce générateur de débit d'un fluide piloté électriquement comportant une vanne (1) à clapet mobile (3) solidaire de moyens de commande du déplacement du clapet mobile, un capteur (9) de la position du clapet mobile (3) émettant un premier signal électrique correspondant à cette position, des noyens pour produire un second signal de la pression du fluide, des moyens de multiplication de ces deux signaux et délivrant un signal de sortie représentant le débit effectif (Q) du fluide, un comparateur (12) à deux entres auxquelles sont respectivement appliqués le signal de sortie des moyens de multiplication et un signal de consigne, et dont la sortie est connectée aux moyens de commande du déplacement du clapet mobile est caractérisé en ce que la pression d'alimentation amont (P1) du fluide est choisie supérieure à deux fois la pression d'utilisation aval (P2), de sorte que 1'ecoulement du fluide à travers la section de passage délimitée par le clapet mobile de la vanne soit sonique, et en ce qu'il comporte un seul capteur de pression (10) relevant la pression d'alimentation amont (P1) délivrant ledit second signal de la pression du fluide. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annnexé Sur lequel - la figure 1 est un schéma synoptique d'un générateur de débit de fluide piloté électriquement - la figure 2 est un schéma d'une variante d'exécution , - la figure 3 est une variante de réalisation d'un clapet mobile sous forme de pointeau ; - la figure 4 est une variante du pointeau représenté sur la figure 3. Le générateur de débit de fluide suivant l'invention comporte une vanne électranagnétîque 1 présentant, à l'intérieur de son corps, un orifice de passage du fluide 2 en regard duquel est disposé un clapet 3 mobile axialement. Cet orifice de passage 2 fait communiquer un orifice d'entrée amont 4 avec un orifice de sortie aval 5 et le débit du fluide traversant la vanne 1 est fonction de la position axiale d du clapet mobile 3 par rapport au siège de l'orifice 2. Cette position est déterminée par un électro-aimant 6 dont le noyau plongeur, mobile axialement, est solidaire du clapet 3, ce clapet 3 étant sollicité par un ressort de rappel. L'orifice d'entrée 4 de la vanne est relié à une source de fluide 7 délivrant le fluide à une pression d'alimentation amont P1, tandis que l'orifice de sortie 5 est relié à un dispositif d'utilisation quelconque fonctionnant à une pression aval P2 inférieure à la moitié de la pression amont. Le générateur comporte des moyens de régulation 20 sensibles, d'une part aux signaux électriques d et P1 issus respectivement du capteur de position 9 et du capteur de pression 10 et déli'irant, d'autre part, un signal de ccmmande 21 aux moyens de commande 6 de déplacement du clapet mobile 3, ces moyens de commande étant sensibles aux signaux electriques positif et négatif et engendrant respectivement un déplacement dans un sens ou dans l'autre. lorsque la valeur calculee Q du débit (voir ci-apres) est supérieure à la valeur de consigne Vc, ceci veut dire que le débit est supérieur à la valeur choisie, variable, fixée par avance à la valeur Vc. Dans ce cas, le signal de sortie (négatif sur la figure) engendre un déplacement vers le bas (sur la figure) du clapet mobile 3 de manière à réduire l'ouverture de passage et diminuer le débit. Inversement, si Q est inférieure à la valeur de consigne Vc, le déplacement du clapet mobile s'effectue vers le haut de manière à augmenter le débit. La valeur instantanée du débit du gaz à travers la vanne 1 est calculée par un circuit multiplicateur 8 à deux entrées et qui reçoit, sur une première entrée, un premier signal électrique d correspondant à la position axiale du clapet mobile 3 par rapport à son siège. Ce signal est délivré par un capteur de position 9 associé à la vanne 1. Le circuit multiplicateur 8 reçoit à sa seconde entrée un second signal P1 correspondant à la pression d'alimentation amont du fluide. Ce signal est fourni par un capteur de pression unique 10 branche sur la canalisation 11 reliant la source de gaz 7 à la vanne 1. La pression d'alimentation P1 est choisie supérieure à deux fois la pression d'utilisation aval P2 de telle sorte que l'écoulement du gaz à travers l'orifice de passage 2 de la vanne 1 soit sonique. De ce fait, ce débit Q est de la forme Q = KSP1, K étant une constante, S la section de passage qui est proportionnelle à la position axiale d du clapet par rapport à son siège, et P1 la pression amont. On voit donc que pour une pression d'alimentation donnée P1 la valeur du débit Q du gaz est uniquement fonction de la section de passage S, c'est-à-dire de la position d du clapet 3. le circuit multiplicateur 8 délivre à sa sortie un signal Q qui représente le débit effectif du gaz à travers la vanne 1. Ce signal Q est appliqué à une entrée d'un amplificateur ccmparateur 12 à une seconde entrée duquel est appliqué un signal de consigne V correspondant au c débit de fluide que l'on désire obtenir. Par consequent, si le - débit effectif Q est différent du débit désiré représenté par la tension de consigne Vc, l'amplificateur coflparateur 12 délivre à sa sortie un signal d'erreur qui est appliqué à 1 'électro-aimant 6 pour ecarter ou rapprocher le clapet mobile 3 de son siège, afin de corriger l'écart du débit et d'obtenir le débit désiré. Dans la variante d ' exécution illustrée sur la figure 2, le capteur de position 9 est du type à transformateur différentiel. Le capteur de pression 10, du type à pont de jauges, l'alimente en signaux périodiques de forme triangulaire fournis par un générateur de signaux 13. Les signaux 19 délivrés pour ce générateur 13 sont modulés par le capteur de pression 10 qui délivre des signaux de sortie, d'amplitude variable en fonction de la pression amont P1, qui sont appliqués au capteur de position 9. Le capteur de position 9, fonctionnant en dérivateur, délivre alors, à sa sortie, un signal créneau proportionnel au produit de la pression amont P1 et de la section de passage, c'est-à-dire au débit Q du fluide.Ce signal est appliqué à un démudulateur 14 dont la sortie, à laquelle apparaît un signal continu Q représentant le débit, est rélieé à la première entrée de l'amplificateur comparateur 12. On voit ainsi que la multiplication est realisée sans avoir à faire appel à un circuit multiplicateur 8 indépendant. Les moyens de régulation 20 sont ici constitués pour le générateur 13, le démodulateur 14 et le comparateur 12 ainsi qu'une partie du capteur de position 9 assurant la fonction de dérivateur. La figure 3 représente une variante de réalisation de la figure 1, dans laquelle le clapet mobile 3 a été remplacé par un système à pointeau mobile. D'une manière générale, on désignera par clapet mobile tous les systèmes équivalents. Par exemple, les clapets du type "quart de tour" ou "demi tour" généralement en céramique et dont la rotation d'un quart ou d'un demi tour l'un sur 1' autre de deux disques cemplémentaires provoque le passage de la fermeture à l'ouverture maximale. Dans ce cas, les moyens de commande du clapet seront un moteur, avec ou sans démultiplication, permettant d'effectuer la rotation voulue. Le capteur de position dans un tel système rotatif est de préférence un potentiomètre rotatif.Egalement, les clapets mobiles du type pointeau font partie de l'invention : pointeau fendu comme décrit à la figure 3, pointeau biseauté comme représenté sur la figure 4. Les moyens de commande de déplacement sont du type moteur linéaire ou moteur rotatif couplé avec un système transformant le mouvement de rotation en un mouvement de translation. Le capteur de position du clapet mobile pourra prendre toute forme bien connue, adapté au type de déplacements du clapet mobile et en particulier, capteur de déplacement, capteur de position angulaire, moyens optiques, électriques, etc... Le générateur représenté à la figure 3 cl'porte une vanne électromagnétique 100, permettant à 1' intérieur de son corps, un orifice de passage du fluide 200 dans le clapet mobile 300, se déplaçant axialement. Cet orifice de passage 200 fait communiquer un orifice d'entrée amont 40 avec un orifice de sortie aval 50 et le débit du fluide traversant la vanne 1 est fonction de la position axiale du clapet mobile 300 par rapport à l'orifice 200. Cette position est déterminée par un électro-aimant 60 dont le noyau plongeur, mobile axialement, est solidaire du clapet 300, ce clapet 300 étant sollicité par un ressort de rappel.L'orifice d'entrée 40 de la vanne est relié à une source de fluide 70 délivrant le fluide à une pression d'alimentation amont P1, tandis que l'orifice de sortie 50 est relié à un dispositif d'utilisation quelconque fonctionnant à une pression aval P2 inférieure à la moitié de la pression amont. La valeur instantanée du débit du gaz à travers la vanne 100 est calculée par un circuit multiplicateur 108 à deux entrées et qui reçoit, sur une première entrée, un premier signal électrique d correspondant à la position axiale du clapet mobile 300. Ce signal est délivré par un capteur de position 90 associé à la vanne 100. Le circuit multiplicateur 108 reçoit à sa seconde entrée un second signal P1 correspondant à la pression d'alimentation amont du fluide. Ce signal est fourni par un capteur de pression unique 110 branché sur la canalisation 111 reliant la source de gaz 70 à la vanne 100. La pression d'alimentation P1 est choisie supérieure à deux fois la pression d'utilisation aval P2 de telle sorte que l'écoulement du gaz à travers l'orifice de passage 200 de la vanne 100 soit sonique. De ce fait, ce débit Q est de la forme : Q = KSP1, K étant une constante, S la section de passage qui est proportionnelle à la position axiale du clapet par rapport à son siège, et P1 la pression amont. On voit donc que pour une pression d'alimentation donnée P1 la valeur du débit Q du gaz est uniquement fonction de la section de passage S, c'est-à-dire de la position d du clapet 300. Le circuit multiplicateur 108 délivre à sa sortie un signal Q qui représente le débit effectif du gaz à travers la vanne 1. Ce signal Q est appliqué à une entrée d'un amplificateur copparateur 112 à une seconde entrée duquel est appliqué un signal de consigne v correspondant c au débit de fluide que lton désire obtenir. Par conséquent, si le débit effectif Q est différent du débit désiré représente par la tension de consigne Vc, l'amplificateur comparateur 112 délivre à sa sortie un signal d'erreur qui est appliqué à ltelectro-aimant 60 pour déplacer le clapet mobile 300 de son siège, afin de corriger lgecart du débit et d'obtenir le débit désiré. La figure 4 représente une variante de réalisation du pointeau de la figure 3, sur laquelle les mÊmes éléments portent les mêmes références. Le pointeau fendu a été remplacé par un pointeau cylindrique biseauté, le biseau permettant d'augmenter linéairement le débit. Comme sur la figure 3, le pointeau 300 est mobile longitudinalement sous l'action du moyen 60 Lorsque le point A du pointeau 300 est sous le niveau délimité par le joint 201, le vanne est fermez (l'étanchéité est assurée par le joint torique 202 qui délimite la chanbre d'arrivée 203 de gaz issu de 70. Le déplacement vers le haut (sur les figures 3 et 4) du pointeau 300 provoque l'ouverture progressive de la vanne. Dans le cas des pointeaux 300 de la figure 3, le débit est proportionnel à la surface d x a, tandis que sur la figure 4, il est fonction de la distance d et de l'angle du plan du biseau avec l'axe du cylindre continuant le pointeau 300. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour contrôler le débit d'un fluide à travers une vanne à clapet mobile dans lequel on mesure d'une part la pression du fluide et d'autre part la position du clapet mobile, on calcule le produit de ces deux mesures representant un nombre proportionnel au débit effectif du fluide à travers la vanne, puis on compare le produit de ces deux mesures à une valeur de consigne de manier à commandeur le deplacement dudit clapet dans un sens ou dans 1 'autre suivant le signe de la différence entre le produit des deux mesures et de la valeur de consigne, caractérisé en ce que la pression du fluide (P1) en amont de la vanne est choisie supérieure ou égale à deux fois la pression du fluide (P2) en aval de la vanne, de sorte que l'écoulement du fluide à travers la vanne est un écoulement sonique et en ce que l'on mesure la pression du fluide uniquement en amont (P1) de la vanne. 2. - GEnErateur de débit d'un fluide piloté électriquement comportant une vanne (1) à clapet mobile (3) solidaire de moyens de commande du déplacement du clapet mobile, un capteur (9) de la position du clapet mobile (3) emettant un premier signal électrique oorrespcndant à cette position, des moyens pour produire un second signal de la pression du fluide, des aryens de multiplication de ces deux signaux et délivrant un signal de sortie représentant le débit effectif (Q) du fluide, un oomparateur (12) à deux entrées auxquelles sont respectivement appliqués le signal de sortie des moyens de multiplication et un signal de consigne, et dont la sortie est connectez aux moyens de commande du déplacement du clapet mobile, caractérisé en ce que la pression d'alimentation amont (P1) du fluide est choisie supérieure à deux fois la pression d'utilisation aval (P2), de sorte que l'écoulement du fluide à travers la section de passage délimitée par le clapet mobile de la vanne soit sonique, et en ce qu'il comporte un seul capteur de pression (10) relevant la pression d'alimentation amont (P1) délivrant ledit second signal de la pression du fluide. 3. - GEnErateur de débit suivant la revendication 1 on 2, caractérisé en ce que les mayens de multiplication sont constitues par un circuit multiplicateur (8) à deux entrées auxquelles sont respectivement appliques les premier et second signaux. 4. - Gnateur de débit suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en oe que le capteur de position (9) est du type à transformateur différentiel, le capteur de pression (10), du type à pont de jauges, l'alimente en signaux périodiques de forme triangulaire fournis par un générateur de signaux (13), ces signaux de sortie ayant une amplitude variable en fonction de la pression amont (P1), Si bien que le capteur de position (9), fonctionnant en dérivateur, delivre alors, à sa sortie, un signal créneau proportionnel au produit de la pression amont (P1) et de la section de passage, c'est-à-dire au débit (Q) du fluide, ce signal étant appliqué à un démodulateur (14) dont la sortie, à laquelle apparaît un signal continu (Q) représentant le débit est reliée à la première entre de l'amplificateur comparateur (12).