Brevet FR2605059A1 — publié le 19880415

SYSTEME DE MESURE DE DEBIT ET DE SURVEILLANCE POUR POMPES A DEPLACEMENT POSITIF ET POHPES MUNIES DE CE SYSTEME. La présente invention se rapporte à un système automatique de mesure de débit et de surveillance de pompes à déplacement positif. Les systèmes de mesure de débit existants sont en général bien adaptés à la mesure du débit de fluides dont au moins une des caractéristiques est conservée. Il n'existe pas de débitmètre universel qui puisse mesurer avec précision et sans recalibration, le débit de tous les types de fluide susceptible d'être pompé par une pompe à déplacement positif. En effet, les caractéristiques de ces fluides peuvent être extrêmement variées; Ils peuvent être visqueux ou fluides, conducteurs de l'électricité ou isolants, chargés de particules solides ou non chargés, liquides ou gazeux, etc... Ils peuvent s'écouler avec un écoulement laminaire ou turbulent,... De nombreux débitmètres sont bien adaptés à la mesure de fluides particuliers mais aucun ne peut mesurer avec précision à la fois tous ces types de fluides. L'invention permet la mesure du débit de n'importe quel fluide refoulé par une pompe à déplacement oositif. La nature turbulente ou laminaire de l'écoulement n'intervient pas dans la précision de la mesure. L'invention utilise les caractéristiques de pompage volumétrique des pompes à déplacement positif. Une technique couramment utilisée consiste à compter le nombre de coups donnés par la pompe et de multiplier ce nombre par le volume théoriquement expulsé par la pompe pendant un coup. La précision de cette technique de mesure de débit est bonne tant que la pompe et les conditions de pompage sont bonnes; Cependant, si l'un de ces deux facteurs se dégrade, 1l précision peut devenir très mauvaise. Prenons un exemple extrême et supposons que les conditions de pompage soient tellement mauvaises que le fluide à pomper n'arrive pas jusqu'à la pompe; Cela n'empêche pas la pompe de tourner comme si tout était normal. Le débitmètre indique toujours un débit proportionnel à la vitesse de la pompe bien qu'aucun fluide ne soit effectivement expulsé hors de la pompe. L'indication sera alors totalement erronnée. Ceci est un cas extrême, mais il est fréquent que les conditions de pompage soient telles que le fluide:ne remplisse pas complètement les chambres pendant la phase d'aspiration; La technique de comptage du nombre de coups de pompe est alors prise en défaut car le volume effectivement pompé est inférieur au volume théoriquement expulsé hors de la pompe. L'invention utilise cette technique de comptage du nombre de coups donnés par la pompe et la corrige par]% mesure du volume de fluide effectivement expulsé par la pompe à chaque coup. Ainsi quelques soient les conditions de pompage et l'état de fonctionnement de la pompe, la mesure du débit expulsé par la pompe est correcte. Afin de mesurer de façon précise le volume de fluide effectivement expulsé par la pompe, il est nécessaire de connaître l'état de fonctionnement de la partie hydraulique de la pompe. Une surveillance constante des conditions de pompage et de l'état de fonctionnement de la pompe est réalisé. S'il arrive que l'un des clapets se détériore et se mette à fuir ou que l'un des ressorts de clapet casse, le système mesure la fuite et corrige la valeur du débit en conséquence. De tels système de surveillance de pompes par détection et correction de fuites au niveau des clapets ou des chemises des pistons éventuels n'existent pas à notre connaissance. Les fuites ou ruptures de ressort sont en général détectés par les opérateurs au bruit que font les pompes ou aux vibrations des lignes de circulation du fluide. Le système, réalisation de l'invention effectue une surveillance permanente et automatique de ces défauts. Cette surveillance est réalisée par le ir4cro-calculateur. Si certains paramètres atteignent ou dépassent des valeurs prédéterminées, le microcalculateur effectue des calculs de vérification de bon fonctionnement de la pompe. Il controle le bon fonctionnement des capteurs puis vérifie sur plusieurs cycles la réalité du défaut. Si le défaut est confirmé, il transmet l'information et prend les mesures nécessaires de correction du débit. Les informations transmises sont généralement les valeurs du débit et du volume de fluide effectivement expulsé hors de la pompe, ainsi que la valeur d'un indicateur des conditions de pompage et de l'état de fonctionnement de la pompe. Cet indicateur n'est.autre que l'efficacité volumétrique de la pompe, c'est-à-dire le rapport du volume effectivement pompé sur le volume théoriquement pompé si les conditions de pompage et l'état de fonctionnemnent de la pompe étaient parfaits. Cet indicateur se révèle très utile par exemple pour observer les réactions de la pompe à des variations de conditions de pompage. L'opérateur de la pompe peut savoir en temps réel si les conditions de pompage s'améliorent ou se dégradent en réponse à ses propres actions ou à des actions extérieures. Les fuites de clapets, de chemises, les ruptures de ressort et les mauvais fonctionnements de capteurs sont aussi transmis. La figure 1 représente un exemple d'interconnexion d'une réalisation de l'invention. La figure 2 représente une coupe d'une chambre de compression d'un exemple de pompe à déplacement positif (eompe à pistons). La figure 3 représente un schéma d'un mode de réalisation du microcalculateur. La figure 4 est un relevé de courbes obtenues sur une pompe en fonctionnement à l'aide de capteurs de pression, de déplacement et par calcul. La figure 5 montre un enregistrement de courbes de pression dans deux chambres d'une pompe triplex et les instants d'immobilisation des organes mobiles correspondants. Les mêmes références numériques désignent les mimes organes sur les différentes figures. Dans la figure 1, l'élément 1 représente un organe d'affichage et de controle central qui permet la surveillance en temps réel d'un ensemble de pompes à déplacement positif ainsi que l'enregistrement du déroulement des opérations de pompage. Les éléments notés 2 sont des organes de controle locaux et sont destinés plus particulièrement aux opérateurs des pompes. Les ensembles notés 3 sont des réalisations du micro-calculateur, partie de l'invention. Suivant leurs configurations, ces micro-calculateurs peuvent être connectés à une ou plusieurs pompes à déplacement positif Sur la figure 1, ils sont connectés successivement de gauche à droite sur deux pompes triplex 4, une pompe quintuplex 5 et à nouveau deux pompes triplex 4. Gràce à l'utilisation d'un bus de données série multipoint entre les éléments 1 et 2, l'adjonction ou la Suppression d'un élément est très simple. Un bus du même type est utilisé entre les éléments 2 et 3; Il permet la connexion éventuelle d'autres capteurs en série avec le micro-calculateur 3 et l'utilisation d'une seule ligne vers l'organe de controle local 2. Le nombre de capteurs de pression 6 connectés sur le micro-calculateur 3 est égal à la somme des nombres de chambres de refoulement 7 des pompes 4 ou 5 sur lesquelles est connecté le micro-calculateur 3. Le nombre de capteurs de proximité 8 est égal au nombre de pompes 4 ou 5 connectées. En d'autres termes, il est nécessaire d'avoir un capteur de pression 6 par chambre de refoulement 7 et un capteur de proximité 8 par pompe 4 ou 5. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le capteur 8 détecte le passage d'une bague (B) solidaire du piston et servant de repère de position. De manière connue, la nature du repère sera choisie en fonction du capteur. Un exemple préféré sera une bague en acier détectée par un capteur de proximité (8) inductif. Un autre exemple consiste en un capteur optique associé à un repère optique sur le piston, ou encore en un capteur à effet Hall associé à un repère constitué par un aimant. La référence à la phase de la pompe peut aussi être obtenue, par exemple, par la détection du passage d'une dent repérée d'une roue d'entraînement d'un piston, ou organe analogue lié mécaniquement au piston, par un capteur tel que précisé ci-dessus. La figure 2 représente une coupe de chambre de refoulement 7 d'un exemple de pompe 4 ou 5 à déplacement positif. Ces pompes 4 ou 5 à déplacement positif sont caractérisées par le fait qu'un élément mobile 9 permet par un mouvement de va-et-vient le remplissage d'une chambre de refoulement 7 puis son expulsion dans un circuit de refoulement 10. Le sens de circulation du fluide est défini par le clapet 11 dit d'aspiration et le clapet 12 dit de refoulement. Le mouvement de ces clapets 11 et 12 est déterminé par l'action du ressort de clapet d'aspiration 13 et du ressort de clapet de décharge 14 ainsi que par les forces exercées par le fluide en mouvement et les pressions présentes dans le circuit de refoulement 10, la chambre de refoulement 7 et le circuit d'admission 15. De manière préférée, le capteur de pression 6 est monté sur la face intérieure de la porte P de la chambre 7. Ainsi, le capteur ne fragilise pas le corps de la pompe. Toutsfois, sous réserve de complications techniques, le capteur pourrait etre placé en affleurement sur une autre partie plane de la chambre. Le fonctionnement normal de la pompe est le suivant: Lorsque l'élément mobile 9 avance dans la chambre de refoulement 7 à partir de sa position d'immobilisation correspondant à un retrait maximal, le fluide présent dans la chambre est tout d'abord expulsé dans le circuit d'aspiration 15 jusqu'à ce que le clapet d'aspiration 11 anti-retour se ferme et ne laisse plus passer le fluide. Le fluide est alors comprimé dans la chambre de refoulement 7 jusqu'à ce que les forces exercées sur le clapet de refoulement 12 par la pression dans cette chambre 7 deviennent supérieures aux forces exercées sur ce même clapet 12 par la pression dans le circuit de refoulement 10 et le ressort 14. A ce moment, le clapet de refoulement 12 s'ouvre et le fluide est expulsé dans le circuit de refoulement. Le volume de fluide expulsé dans le circuit de refoulement 10 est égal au volume déplacé par l'élément mobile 9 lorsqu'il avance dans la chambre de refoulement 7 à partir de sa position à l'instant d'ouverture du clapet de refoulement 12 jusqu'à sa position d'immobilisation correspondant à son enfoncement maximal dans la chambre de refoulement 7. Dans de nombreuses pompes à déplacement positif, ce calcul n'est pas suffisant. En effet, lorsque l'élément mobile 9 se retire de la chambre de refoulement 7 à partir de sa position d'immobilisation correspondant à un enfoncement maximal, le clapet de refoulement 12 n'est pas obligatoirement fermé, notamment aux grandes vitesses de fonctionnement de la pompe. Un certain vulume de fluide pénètre alors à nouveau dans la chambre de refoulement 7 jusqu'à ce que le clapet de refoulement 12 se referme. Ce volume vient en déduction du volume expulsé par la pompe dans le circuit de refoulement 10. Il est égal au volume déplacé par l'élément mobile 9 lorsqu'il se retire de la chambre de refoulement 7 à partir de sa position d'immobilisation correspondant à son enfoncement maximal jusqu'à ce que le clapet de refoulement 12 se ferme. La figure 3 représente un schéma bloc de l'ensemble micro-calculateur. L'élément 15 est un système à microprocesseur avec son horloge, ses bus et ses mémoires. Une mémoire sauvegardée 16 permet de stocker un certain nombre d'informations, notamment les valeurs de calibration caractéristiques des pompes 4 ou 5 qui sont connectées sur le microcalculateur. Ces valeurs permettent en particulier de calculer les volumes déplacés par l'élément mobile 9 entre ses positions d'immobilisation et ses positions aux moments d'ouverture et de fermeture du calpet de refoulement 12. Les éléments 17 sont les éléments de connexion sur les bus de données série multipoints. Par ailleurs les capteurs de pression 6 sont reliés au système à microprocesseur 15 au travers d'éléments adaptateurs 18. De même, les détecteurs de proximité 8 sont reliés au système à microprocesseur 15 par les éléments adaptateurs 19. Les éléments 6, 18, 8 et 19 sont en nombre suffisant pour qu'il y ait un capteur de pression 6 et un adaptateur 18 par chambre de refoulement 7 et qu'il y ait un détecteur de proximité 8 et un adaptateur 19 par pompe 4 ou 5. La figure 4 représente troW_ courbes en fonction du temps. La courbe 21 représente la variation du signal de sortie d'un capteur de déplacement qui mesure la position d'un clapet de refoulement 12. A l'instant d'origine, le clapet 12 repose sur son siège; la courbe est à son maximum. Lorsque la courbe commence à décroître, cela signifie que le clapet 12 s'éloigne de son siège. Le fluide commence alors à être refoulé dans le circuit refoulement 10. Connaissant l'instant d'origine o l'élément mobile 9 est à sa position d'immobilisation correspondant à son retrait maximal de la chambre de refoulement 7 et l'instant o le clapet 12 commence à s'éloigner de san siège, il est possible de calculer le volume déplacé par l'élément mobile 9 entre ces deux instants. La courbe 22 représente le signal issu d'un capteur de pression 6 placé dans la chambre de refoulement 7 qui correspond au clapet de refoulement 12 dont la position est observée. La courbe 23 est la dérivée par rapport au temps de la courbe 22. Il a été découvert selon l'invention que l'utilisation de la courbe dérivée apportait des améliorations technologiques. Une partie de l'invention consiste à utiliser un capteur de pression 6 au lieu d'un capteur de déplacement pour détecter l'ouverture et la fermeture des clapets de lo refoulement 12. En effet, il n'est pas toujours adapté d'utiliser un capteur de déplacement pour mesurer le déplacement du clapet 12 à l'intérieur de la pompe. Un capteur de pression ne présente pas de partie mobile et résiste aux pressions développées par les pompes. Par ailleurs le capteur de pression 6 donne un plus grand nombre d'informations sur l'état de fonctionnement de la pompe que ne le ferait un capteur de déplacement mesurant le déplacement du clapet de refoulement 12. Le maximum de la courbe 23 correspond exactement à l'instant d'ouverture du clapet 12. Cette propriété est mise en oeuvre dans les logiciels du micro-calculateur 3 pour déterminer l'instant d'ouverture du clapet 12 à partir de la forme du signal de pression dans la chambre. L'instant de fermeture du clapet de refoulement 12 est calculé de façon similaire. Une autre technique employée dans une autre réalisation de l'invention pour déterminer les instants d'ouverture et de fermeture des clapets de refoulement 12 utilise une comparaison entre les signaux d'un capteur de pression 6 situé dans la chambre de refoulement 7 et un capteur de pression du même type situé dans le circuit de refoulement 10. Lorsque ces deux signaux sont égaux, cela signifie que le clapet de refoulement 12 est ouvert. Si la pression dans la chambre de refoulement 7 est inférieure à la pression dans le circuit de refoulement 10, cela signifie que le clapet de refoulement 12 est fermé. Cette technique présente cependant quelques difficultés car elle nécessite l'utilisation de capteurs de pression suffisamment précis pour qu'il soit possible de les comparer. L'utilisation d'algorithmes de corrélation permet de corriger et de comparer en temps réel les signaux de ces capteurs mêmes s'ils ne présentent pas de bonnes caractéristiques de précision. Cependant la mise en oeuvre de ces algorithmes peut être trop longu. vis-à-vis des exigences de temps réel de l'application. Dans certaines application*, le pompage se fait de manière très régulière. L'évolution éventuelle de l'efficacité volumétrique des pompes est lente vis-à-vis des vitesses de fonctionnement de la pompe et des calculs effectués par le micro-calculateur 3. Dans ces cas, on constate souvent que l'efficacité volumétrique de la pompe ne varie pas pendant plusieurs cycles des pompes. Il est alors possible de ne faire les calculs d'efficacité que tous les n cycles et de connecter plusieurs pompes sur le même micro-calculateur 3. Le micro-calculateur 3 calcule l'efficacité volumétrique de chaque pompe, chacune à leur tour et utilise cette valeur d'efficacité volumétrique gardée en mémoire pour calculer aussi souvent qu'il le faut, à chaque seconde par exemple, le débit de chaque pompe à partir de sa vitesse de fonctionnement et de cette valeur d'efficacité volumétrique supposée constante depuis son dernier calcul. La figure 5 présente les signaux 24 et 25 de deux capteurs de pression 6 situés dans deux chambres de refoulement 7. Le capteur de pression 6 dont le signal est représenté par la courbe 24 est situé dans une chambre 7 dont le clapet de refoulement 12 est en bon état de fonctionnement. Par contre, le capteur de pression 6 dont le signal est représenté par la courbe 25 est situé dans une chambre.de refoulement 7 dont le clapet de refoulement 12 est dégradé de telle sorte qu'il existe une fuite du circuit de refoulement 10 vers la chambre de refoulement 7 lorsque le clapet de refoulement 12 repose sur son siège; La pression du circuit de refoulement 10 est supérieure à la pression du circuit d'aspiration 15. Les traits verticaux représentent les instants d'immobilisation des éléments mobiles 9 correspondants à chacune deu chambres de refoulement considérées. L'invention repose en partie sur l'observation que alors que la courbe 24 montre que la pression dans la chambre de refoulement 7 n'augmente pas avant l'immobilisation de l'élément mobile 9, cette pression dans la chambre de refoulement 7 dont le clapet de refoulement 12 est dégradé augmente avant l'immobilisation de l'élément mobile 9. Une observation du même type peut être faite pour des dégradations qui peuvent apparaître au niveau des clapets d'aspiration 11, des chemises des pistons éventuels ou des ruptures de ressort 13 et 14. Ces observations sont mises à profit par le logiciel du micro-calculateur 3 afin de déterminer les états des clapets, des chemises des pistons éventuels et des ressorts. Lorsqu'une fuite a été détectée et si la pression de refoulement est suffisamment élevée, il est possible de mesurer la quantité de fluide qui passe à travers la fuite en analysant l'évolution de la courbe de croissance de la pression dans la chambre de refoulement 7. Lorsque le système fonctionne, le microprocesseur exécute un programme en mémoire caractérisé en ce qu'il comporte un certain nombre de taches qui peuvent être par exemple et dans un ordre éventuellement différent: Initialisation du système à microproceiseur 15 à la suite de la mise sous tension de l'appareil. - Acquisition des données fournies par les capteurs de pression 6 et les détecteurs de proximité L9. - Calcul des instants d'ouverture et de fermeture des clapets de refoulement 12 de chaque chambre de refoulement 7 par une des méthodes indiquées ci-dessus. - Détection de l'état de la pompe: En fonctionnement ou arrêtée et calcul éventuel de sa vitesse de fonctionnement. - Calcul des instants d'immobilisation des éléments mobiles 9 de chaque chambre de refoulement 7 par l'analyse des signaux fournis par les capteurs de proximité 8. - Calcul des volumes de fluide effectivement expulses et des volumes réintroduits dans chaque chambre de refoulement 7. - Comparaison des valeurs calculées avec des valeurs déterminées afin d'initier certains calculs de vérification du bon état de fonctionnement des différents organes et calcul des fuites éventuelles. - Calcul de l'efficacité volumétrique de chaque pompe. - Calcul du débit et du volume cumulé de chaque pompe. - Transmission des informations sur le bus de données. - En cas d'appel par un organe de controle local 2, exécution de programmes de test ou de programmes spéciaux pour la calibration, la mise en mémoire permanente ou la communication de certains paramètres. De nombreux autres calculs ou programmes peuvent être effectués par le micro-calculateur 3. Ceux présentés ci-dessus le sont principalement à titre d'exemple. Le système, objet de l'invention a été conçu de manière suffisamment souple pour pouvoir être adapté sur différents types de pompes à déplacement positif. La figure 6 annexée représente le panneau d'affichage de l'appareil selon l'invention. On pourra ainsi mieux apprécier le progrès réalisé puisque, outre une mesure précise et juste du débit et du volume, l'invention permet une lecture directe de l'efficacité volumétrique et une visualisation des défauts de fonctionnement: Ainsi, la fenêtre "chambre" munie de diodes LED signale la chambre ou le défaut apparait, ainsi que le clapet tn cause. L'opérateur peut ainsi réagir immédiatement et à bon escient ce qui est impossible actuellement. _ dS;- REVENDICATIONS 1) Pompe à déplacement positif et clapets libres, caractérisé en ce qu'elle comporte un système de détection de l'ouverture et de la fermeture d'au moins un clapet de refoulement par observation d'au moins une pression de chambre de refoulement d'un piston et / ou de circuit de refoulement de la pompe, en combinaison avec un système de détection de la position d'au moins un organe mobile lié mécaniquement au déplacement des pistons ou bien est reliée à un tel système. 2) Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système détecte l'ouverture et la fermeture de tous les clapets de refoulement. 3) Pompe selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que l'on détecte l'ouverture et la fermeture du ou des clapet(s) de refoulement par la comparaison des pressions de chambre de refoulement et de la pression du circuit de refoulement de la pompe. 4) Pompe selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que l'on détecte l'ouverture et la fermeture du ou des clapet(s) de refoulement par observation des pressions dans les chambres de refoulement. ) Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit système de détection de position consiste en un 4- Arepère solidaire du piston et dont le passage est détecté par un détecteur approprié, par exemple bague en acier / capteur inductif, repère optique / capteur optique, ou aimant / capteur à effet Hall. 6) Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le capteur mesurant la pression dans une chambre d'un piston est monté dans la face inférieure de la porte de la chambre. 7) Système de détection de l'ouverture et de la fermeture d'au moins un clapet de refoulement par observation d'au moins une pression de chambre de refoulement d'un piston et / ou de circuit de refoulement de la pompe, en combinaison avec un système de détection de la position d'au moins un organe mobile lié mécaniquement au déplacement des pistons. 8) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on détecte l'ouverture et la fermeture de tous les clapets de refoulement. 9) Système selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce qu'il détecte l'ouverture et la fermeture du ou des clapet(s) de refoulement par la comparaison des pressions de chambre de refoulement et de la pression du circuit de refoulement de la pompe. O10)Système selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce qu'il détecte l'ouverture et la fermeture du ou des clapet(s) de refoulement par observation des pressions dans les chambres de refoulement.