Brevet FR2607931A1 — publié le 19880610

La présente invention a pour objet une burette pour l'exécution, notamment, des titrages chimiques et électrochimiques. Ladite burette est équipée d'un moteur pas-à-pas dont la rotation sert à produire le déplacement d'un piston à l'intérieur d'un cylindre calibré rempli de liquide. La quantité de liquide délivrée est proportionnelle au déplacement du piston, déplacement qui est proportionnel à l'angle dont le rotor du moteur a tourné, c'est-à-dire au nombre de pas qui ont été franchis. Des burettes à piston équipées d'un moteur pas-à-pas ont déjà été réalisées et commercialisées depuis un certain nombre d'années. L'emploi d'un moteur pas-à-pas présente des avantages appréciables par rapport aux moteurs usuels, notamment en ce qui concerne l'inertie tant au démarrage qu'à l'arrêt. Ils ont par contre l'inconvénient, lorsqu'ils sont commandés par des impulsions symétriques, telles que celles fournies par les montages traditionnels, ou par les circuits intégrés commerciaux, de présenter un mauvais rendement. Ce mauvais rendement se traduit pas une dissipation d'énergie dans le moteur, énergie qui est convertie en chaleur, principalement par effet Joule. Pour l'application considérée, cet inconvénient se traduit par différents effets nuisibles, dont les principaux sont O dilatation des éléments du système volumétrique, et par voie de conséquence, diminution de la précision avec laquelle est connu le volume du titrant délivré par la burette O distillation d'une partie du ou des composant(s) les plus volatils du titrant contenu dans le récipient alimentant la seringue O risque d'altération du tilranv. L'invention vise à s'affranchir de ces difficultés, ou en tout cas à les réduire au minimum. Ce but est atteint grâce à une burette comportant un cylindre dans lequel coulisse un piston, ledit piston étant solidaire d'une crémaillère entrainée par un moteur pas-à-pas, caractérisée en ce que ce moteur pas-à-pas est commandé par des signaux déphasés d'une valeur égale les uns par rapport aux autres et comportant pour chaque cycle une impulsion de durée déterminée telle que le rotor avance d'un pas au moment où elle est appliquée, I'intervalle de temps variable entre deux impulsions successives pouvant être nul pour la vitesse maximale ou d'une durée d'autant plus longue que la vitesse désirée est plus faible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels O les figures 1 et 2 illustrent la forme d'onde des signaux de commande appliqués de façon classique aux enroulements de stator d'un moteur pas-à-pas pour burette à piston, respecti vement, pour une vitesse V et pour une vitesse moitié moindre V/2, O Les figures 3, 4 et 5 illustrent la forme d'onde des signaux de commande appliqués selon l'invention aux enroulements de stator d'un moteur pas-à-pas pour burette à piston, respectivement, pour une vitesse moyenne Vmax/3 égale au tiers de la vitesse maximale autorisée, et pour une vitesse faible Vmax/6 égale au sixième de la vitesse maximale autorisée Vmax, O La figure 6 représente un exemple de réalisation des moyens de commande des enroulements du moteur pas-à-pas selon l'invention, O La figure 7 représente le schéma électronique d'ensemble de la commande des enroulements du moteur pas-à-pas, selon un mode de réalisation utilisant un seul microprocesseur, O La figure 8 représente le schéma électronique d'ensemble de la commande des enroulements du moteur pas-à-pas, selon un mode de réalisation utilisant deux microprocesseurs, O La figure 9 montre une coupe axiale des moyens de verrouillage du plateau portant la seringue, O Les figures 10a et 10b sont des vues, respectivement en coupe et de dessus, d'un exemple de robinet à trois voies équipant la burette, O et la figure il montre l'assemblage mécanique des principaux éléments de la burette à piston selon l'invention. On décrira d'abord en référence aux figures 1 à 5, la mise en oeuvre du mode particulier d'alimentation des bobinages du moteur pas-à-pas d'une burette à piston selon l'invention, par comparaison avec le mode usuel. De manière classique, I'alimentation des bobines d'un moteur pas-à-pas est effectuée en appliquant successivement aux enroulements du stator des signaux déphasés, selon un ordre de succession qui détermine le sens de rotation du rotor. La figure 1 illustre la forme d'onde de ces signaux, dans le cas d'un moteur unipolaire à quatre phases, pour une vitesse de rotation V. Le cycle commence en tl mode de t1 à t2, les enroulements L4 et L1 sont alimentés ; le rotor se positionne en conséquence. De t2 à t3, les enroulements L1 et L2 sont alimentés ; par rapport à sa position précédente, le rotor avance d'un pas. De t3 à t4, les enroulements L2 et L3 sont alimentés elle le rotor avance de nouveau d'un pas. De t4 à t5, le rotor avance une fois encore d'un pas, les enroulements L3 et L4 étant alimentés.Le cycle reprend ensuite en t5. La figure 2 illustre, à la même échelle, la séquence des signaux, dans le cas d'une vitesse moitié moindre, V/2, avec un cycle dont les intervalles de temps t 2 - t'î, t'3 - t'2, etc. sont deux fois plus longs que les intervalles de temps correspondants t2 - tl, t3 - t2, etc. de la figure 1. Si, au contraire, on fait croitre la fréquence des signaux rectangulaires appliqués aux enroulements, on constate que la vitesse de rotation du moteur augmente, jusqu'à une valeur pour laquelle le rotor ne peut plus suivre les sollicitations magnétiques auxquelles il est souris : c' est le phénomène de "décrochage" qui correspond à une valeur limite de #t = t2 - t1 = t3 - t2 = t4 - t3 = etc. Si l'on choisit pour àtopt une valeur un peu inférieure (par exemple de 20 #) à celle entraînant le "décrochage", on obtient un fonctionnement parfaitement fiable. L'invention fait notamment appel, pour la commande du moteur, à des signaux de forme particulière, dans lesquels une impulsion de durée optimale constante E;topt (pour le type de moteur utilisé, une valeur de 2,5 ms a été déterminée expérimentalement cornme étant satisfaisante) est répétée périodiquement. Cette impulsion apporte la quantité d'énergie nécessaire pour avancer d'un pas ; lorsque ce résultat est obtenu, il est évident qu'il n'est pas nécessaire de maintenir l'alimentation, ce qui entrainerait une consommation d'énergie inutile. La figure 3 illustre la séquence des signaux appliqués à chacun des enroulements dans le cas d'une vitesse moyenne (Vmax/3). Le cycle commence en t"1 ; de t''1 à t"2, les enroulements L1 et L4 sont alimentés, le rotor se positionne en conséquence. De t"3 à t"4, les enroulements L1 et L2 sont alimentés ; par rapport à la position précédente, le rotor avance d'un pas. De t"5 à t"6, les enroulements L2 et L3 sont alimentés ; par rapport à la position précédente, le rotor avance d'un pas. De t"5 à t"6, les enroulements L2 et L3 sont alimentés, le rotor avance de nouveau d'un pas. De t"7 à t"s, les enroulements L3 et L4 sont alimentés, le rotor avance encore une fois d'un pas. Le cycle reprend ensuite en t"g. La figure 4 illustre la séquence des signaux appliqués à chacun des enroulements, dans le cas d'une vitesse deux fois plus faible. Les formes d'onde sont comparables à celles de la figure 3, à la différence près que les durées T3 - T2, T5 - T4, T7 T6 et Tg- T8, qui correspondent aux durées t"3 - t"2, t"5 - t"4, t"7 - t"6 et t"9 - t"8 du cas précédent, sont de 12,5 ms au lieu de 5 ms ; la durée du cycle est de 60 ms au lieu de 30 ms, la vitesse de rotation du rotor étant de ce fait moitié moindre. La figure 5 illustre les formes d'ondes correspondant à la vitesse maximale ; pour chaque phase, les signaux correspondant respectivement aux temps I - 2 et 2 - 3, 2 - 3 et 3 - 4, etc. sont accolés deux par deux : on retrouve exactement l'allure des signaux de la figure 1. La consommation est fonction de la durée pendant laquelle les bobines sont alimentées. On voit en se reporlan! aux figures 3 4 et 5, qu'à la vitesse maximale, il y a toujours deux bobines alimentées, tandis que, pour les vitesses plus faibles, chacune des paires de bobines est comme précédemment alimentée pendant une durée de 2,5 ms (valeur, comme indiqué plus haut, nécessaire au déplacement du rotor), le courant qui la traverse étant nul pendant l'intervalle de temps dt qui sépare deux impulsions.Dans ces conditions, la consommation est égale à kAt/(t +du), la fonction t1(8t + dt) étant égale à l'unité pour la vitesse maximale et étant égale à zéro pour une vitesse nulle (absence d'impulsions). En conséquence, la dissipation thermique du moteur est comprise, selon sa vitesse de rotation, entre la valeur qu'elle aurait dans le cas d'un montage classique, et une valeur nulle. On réalise ainsi une économie de dissipation appréciable dans les opérations (titrages par exemple) où la vitesse varie d'une valeur initiale à une valeur nulle en cours d'exécution. En outre, la puissance dissipée dans les alimentations est elle-même réduite corrélativement, ce qui est également favorable en ce qui concerne la dissipation thermique de l'appareil. Dans les conditions de fonctionnement adoptées, la vitesse maximale est de 400 pas/seconde. On peut tout en conservant les mêmes séquences de signaux, obtenir des vitesses de rotation supérieures par tout procédé adéquat de suralimentation des bobines : alimentation à courant imposé, suralimentation transitoire en tension, correction RC, etc. On peut également, dans une certaine mesure, modifier la valeur du couple moteur en agissant sur la durée et l'amplitude des impulsions. Enfin, il est possible de fonctionner en boucle fermée. En pareil cas, on munit le moteur par exemple d'un capreur optique et d'un disque à fentes, de capteurs inductifs ou de proximité, etc. Le signal fourni par ce dispositif est utilisé pour agir sur le générateur de signaux de commande du moteur pas-à-pas pour interrompre l'alimen- tation lorsque le pas est effectué. On peut également agir par coupure de la tension d'alimentation du moteur ou par action sur les transistors de commande du moteur. Les enroulements L1 à L4 du moteur pas-à-pas sont alimentés au moyen de transistors à effet de champ MOSFETs T1 à T4 montés en source commune ; leurs portes P20 à P23, du fait de leur impédance d'entrée élevée, peuvent être commandées directement par les sorties adéquates d'un microprocesseur 11 ou 19 (fig. 6 à 8). Le nombre de pas par unité de temps que le moteur effectue est fonction de la cadence des signaux déphasés générés par le microprocesseur. Dans le cas (fig. 7) où l'on utilise un seul microprocesseur (par exemple un microprocesseur type Z 80), dont le nombre d'entrées/sorties n'est pas suffisant pour alimenter tous les éléments du montage, on doit passer par l'intermédiaire de circuits de type "PlO" 1 et 2.Ces circuits commandent également un certain nombre d'autres fonctions 0 I'affichage de la position du piston, par un afficheur à quatre chiffres 3 O la production d'impulsions de sortie numériques série (chaque impulsion correspondant à un incrément de volume, 20 000 incré ments correspondant à la course totale du piston), au moyen d'un circuit d'adaptation 4 O la production d'un signal de sortie continu analogique (1000 mV correspondant à la course totale du piston) au moyen d'un convertisseur analogique/numérique s O la reconnaissance des limites inférieure et supérieure de la course du piston, par l'intermédiaire des capteurs de position 6 O la commande du robinet de remplissage ou de vidange du corps de la seringue, par un moteur à courant continu 7 alimenté par l'interface 8 O le réglage de la vitesse du moteur et l'exécution de diverses opérations auxiliaires, par l'intermédiaire d'un boitier de com mande à distance 9 et de circuits d'adaptation d'entrée 10 comportant notamment un convertisseur analogique/numérique de 8 bits série, commandé à partir du signal d'horloge. Le boitier de commande permet le choix de la gamme de vitesse (x 1, x 10) l'ouverture et la fermeturc du robinet de la seringue, la vidange et le remplissage rapide, la remise à zéro générale (réinitiali sation) et la remise à zéro de l'afficheur 3.La vitesse du moteur dépend de la tension de sortie délivrée par le boitier de commande 9 qui, après conversion sous forme numérique comme indiqué ci-dessus, est appliquée à travers les PlOs 1 et 2 au microprocesseur 11, qui génère les signaux destinés au moteur pas-à-pas 12, signaux transmis par les transistors T1, T2, T3 et T4. La fréquence de travail du microprocesseur 11 est déterminée par la base de temps 13 pilotée par un quartz (dans ce cas à F = 2,47 MHz) ; les lignes d'entrées/sorties du microprocesseur sont réunies, outre aux deux PlOs 1 et 2, aux mémoires ROM 14 et RAM 15 ainsi qu'aux éléments de la sortie RS 232 : USA RUT 16 et interface 17. L'ensemble du montage est alimenté par l'alimentation 18, qui délivre des tensions de 0 + 5V et 0 - 5V stabilisées et de + il V non stabilisée (cette dernière pour l'alimentation du moteur à travers deux résistances à la fois chutrices et stabilisatrices). Une amélioration importante peut- être apportée à l'invention en remplaçant le microprocesseur unique et les circuits intégrés qui lui sont associés (2 x PIOs, ROM, RAM, USART, base de temps) par deux microprocesseurs du type dit "monochip", c'est-à-dire des microprocesseurs incluant notamment les mémoires RAM et ROM sur la même structure de silicium. Une réalisation pratique a été exécutée, en utilisant deux microprocesseurs type 8748, montés selon le schéma de la figure 8. Ces deux microprocesseurs 19 et 20, dialoguent entre eux au moyen d'une liaison série ne nécessitant que quatre fils, alors que dans le cas précédent dix fils étaient nécessaires pour transmettre les données sur un octet. La base de temps est constituée par un quartz 21 de 6 MHz, réuni simultanément aux deux microprocesseurs. On dispose au total de 51 entrées/sorties, qui sont utilisées pour recevoir les données ou transmettre les ordres de sortie aux organes à commander. Avec le montage de la figure 8 la consommation en amont du transformateur d'alimentation est de 4,4 VA en attente 8,5 VA à vitesse maximale alors que, par comparaison, la consommation de l'appareil (burette à piston à moteur à courant continu) qui fait l'objet du brevet nO 2 277 332 déposé par M. J. TACUSSEL est de 17 watts en conditions d'attente. On peut réduire encore la consommation en conditions d'attente, et par voie de conséquence à vitesse maximale, en utilisant des microprocesseurs CMOS et des alimentations régulées à découpage. Par rapport à la burette équipée d'un moteur à courant continu dont il est question ci-dessus, il y a lieu d'insister sur la simplification générale de l'appareil : encombrement réduit de plus de 50 % diminution de la surface du circuit imprimé ; diminution du temps de contrôle ; grande facilité de dépannage éventuel. Du point de vue des caractéristiques mécaniques, les points suivants doivent être précisés 0 l'entrainement du piston 27 est effectué au moyen d'une tige taillée en crémaillère 26, ce qui permet la transmission directe du mouvement du moteur 22 au piston 27, par l'intermédiaire d'un engrenage 25 (figure 11). La programmation du microprocesseur est telle que, lorsqu'on présente la crémaillère 26 dans son orifice d'admission 29, le moteur 22 se met en marche jusqu'à ce que la crémaillère 26 vienne, selon la position du piston 27, soit en butée haute, soit en butée basse, ces positions étant détectées par des capteurs. On peut aussi retirer le stand 38 quelle que soit la position du piston 27, sans que le système nécessite la présence d'un embrayage (on notera que la présence d'embrayage entrainerait aussi l'inconvénient d'une dissipation thermique complémentaire parasite). En effet il suffit pour cela d'inverser le sens de rota tion du moteur par la programmation du microprocesseur. O Le verrouillage du plateau portant la seringue est effectué par le procédé du "quart de tour" (fig. 9), qui assure une fixation sans jeu. Le verrouillage est assuré par le positionnement approprié, par rapport à l'embase 34 de la couronne de verrouillage 35 que l'on manoeuvre par le levier 36 ; cette couronne est munie des griffes 37. La couronne de verrouillage 35 amène le stand 38 au contact du socle 39. O Le robinet 31 de remplissage/vidange est du type "robinet plat", modifié par le choix de la forme du conduit de mise en communication des voies, dont la longueur développée a été augmentée pour rendre moins critique le positionnement requis pour un bon fonctionnement (fig. 10a et 10b). La figure 10a illustre la position respective de la clé 40 et du corps 44. La clé 40 est entrainée par l'arbre 33 du moteur 7. La figure 10b représente la clé 40 du robinet ; le canal d'arrivée débouche en 41, le canal d'évacuation en 42 et le canal aboutissant à la seringue en 43. La figure 11 montre l'assemblage mécanique des principaux éléments. Le moteur pas-à-pas est représenté en 22, son réducteur en 23 ; I'axe de sortie de ce dernier 24 porte un pignon 25 qui entraine la crémaillère 26 ; celle-ci est solidaire du piston 27 qui coulisse dans le corps de seringue 28. La seringue est reliée par le tube 30 au robinet 31 auquel aboutit également le tube 32 de vidange ou de remplissage. Le robinet 31 est commandé par l'arbre 33 du moteur à courant continu 7. Pour conclure, l'appareil décrit présente par rapport aux appareils antérieurs un certain nombre de particularités et de dispositions originales résumées ci-dessous 0 possibilité de faire varier la vitesse de rotation du moteur de zéro à une valeur maximale, en utilisant des signaux de com mande de forme particulière, générés électroniquement 0 production des signaux de commande du moteur par un système constitué par un microprocesseur et ses circuits intégrés auxiliaires ou par deux microprocesseurs 0 consommation du moteur diminuant en fonction de la vitesse et nulle à l'arrêt 0 alimentation des enroulements du moteur pas-à-pas par des transistors à effet de champ MOSFETs O consommation générale er dissipation thermique réduites 0 entrainement du piston de la seringue par un engrenage solidaire de l'axe du réducteur d'un moteur pas-à-pas, sans l'intermédiaire d'un embrayage ni d'une chaine cinématique supplémentaire 0 recalage automatique de la crémaillère de la seringue 0 utilisation pour le remplissage et la vidange d'un robinet de sureté à trois voies O verrouillage du stand portant la burette par un système "quart de tour" éliminant tout risque de jeu. Revendications 1) Burette à piston pour usages analytiques, comportant un cylindre calibré (28) dans lequel coulisse un piston (27), ledit piston (27) étant solidaire d'une crémaillère (26) entrainée par un moteur pas-à-pas (12), (22), caractérisée en ce que ce moteur pas-à-pas (12), (22) est commandé par des signaux déphasés d'une valeur égale les uns par rapport aux autres, et comportant, pour chaque cycle une impulsion de durée déterminée (topt), telle que le rotor tourne d'un pas au moment où elle est appliquée, l'inter- valle de temps variable entre deux impulsions successives pouvant être nul pour la vitesse maximale, ou d'une durée d'autant plus longue que la vitesse désirée est plus faible. 2) Burette à piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que les signaux nécessaires à la commande du moteur pas-à-pas (12) sont générés par un montage électronique comportant, notam ment, un microprocesseur (11) et les circuits intégrés qui lui sont associés (1), (2), (14) à (16). 3) Burette à piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que les signaux nécessaires à la commande du moteur pas-à-pas (12) sont générés par un montage électronique comportant, notam ment, deux microprocesseurs (19), (20) du type dit "monochip" dialoguant entre eux par quatre lignes de type série. 4) Burette à piston selon l'une des revendications 2 ou 3, caracté risée en ce que les enroulements (L1 à L4) du moteur pas-à-pas (12) sont commandés par des transistors MOSFETs(T1 à T4). 5) Burette à piston selon l'une des revendications 1, 2, 3, ou 4, caractérisée en ce que les circuits de commande du moteur pas-à-pas comprennent des microprocesseurs (11) ou (19), (20) du type MOS présentant une consommation d'énergie électrique et une dissipation thermique réduites. 6) Burette à piston selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, ou 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des alimentations électriques, dites à découpage, qui réduisent la consommation d'énergie électrique et la dissipation thermique. 7) Burette à piston selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, ou 6, caractérisée en ce que le moteur pas-à-pas (12) est inclus dans une boucle fermée. 8) Burette à piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le piston (27) de la seringue est solidaire d'une tige taillée en crémaillère (26) entrainée par un engrenage (25) solidaire de l'axe (24) du réducteur (23) du moteur pas-à-pas (22) sans l'intermédiaire d'un embrayage ni d'une chaine cinématique supplémentaire. 9) Burette selon la revendication 8, caractérisée en ce que le microprocesseur (11) ou (19), (20) des circuits électroniques de commande du moteur pas-à-pas (12), (22) est programmé de telle sorte que la présentation de la crémaillère (26) dans son orifice d'admission (29) provoque la mise en marche du moteur (22) jusqu'à ce que la crémaillère (26) vienne, selon la position du piston (27), soit en butée haute, soit en butée basse.