Brevet FR2645213A1 — publié le 19901005

Groupe motopompe à capteurs de pression et de débit. La présente invention est relative aux groupes mo- topompes, qu'ils soient destinés à être immergés en puits profond ou dans un forage ou à servir en surface. Dans l'un ou l'autre cas, la profondeur atteinte peut être très importante, quelques mètres pour les pompes de surface à plus de 150 mètres dans les forages. La hauteur de l'eau dans ces puits et forages est très variable. Elle peut remonter jusqu'à la surface dans certaines périodes et redescendre à d'autres, pratiquement au niveau de la crépine de la pompe. Ces variations peuvent prc- venir de différentes origines: fluctuation de la nappe phréatique ou débit de la pompe supérieur à l'alimentation du forage. En tout état de cause, cette variation nommée rabat- tement de nappe, pose des difficultés dans l'exploitation de la pompe immergée: inconfort d'utilisation et sécurité (risque d'éclatement des appareils), car cette pression induite par le phénomène de remontée de nappe vient s'ajouter à la pression donnée par la pompe. Cette variation de pression est très dommageable pour l'utilisateur, car elle impose la nécessité de prévoir des canalisations permettant d'accepter ces variations de pression ou encore d'utiliser des artifices pour réduire la pression à une valeur compatible avec son installation, ce qui, dans tous les cas, est fort onéreux. De plus, l'exploitation d'une pompe immergée nécessite en général un dispositif d'asservissement assurant la mise en marche et l'arrêt du groupe en fonction des besoins. Afin de pallier les effets de la remontée de nappe dans le forage, différents principes peuvent être utilisés. - Le plus simple, si la remontée de nappe n'est pas très importante (quelques mètres à une dizaine de mètres), est de prévoir une installation capable de supporter la sur- pression engendrée. Il en découle un surcoût de l'installation et un manque de confort au niveau de l'utilisation. - Pour les variations plus importantes, il est pos- sible de monter en tête de forage un régulateur de pression qui, par un dispositif hydraulique maintient la pression proche d'une valeur prédéterminée. Le dispositif devient par- ticulièrement coûteux lorsque les débits à contrôler sont importants. Ce dispositif, faisant appel à des pièces méca- niques en mouvement dans le fluide, présente des risques de détérioration ou de disfonctionnement en présence de sable dans l'eau. - Une autre solution encore usitée consiste à pla- cer au refoulement de la pompe une soupape de décharge qui s'ouvre en cas de dépassement de la pression, au-delà d'un point prédéfini. Cette solution entraîne *une chute de rende- ment de l'installation (une partie de l'eau étant renvoyée au forage), entraînant une dépense énergétique importante. - Il est possible de limiter la pression au niveau de l'installation en utilisant un dispositif de régulation constitué d'un réservoir sous pression installé sur le refou- lement, associé à un pressostat de régulation. Le pressostat assure la mise en marche et l'arrêt de la pompe en fonction des besoins. Dans ce type de fonctionnement dit hydropneuma- tique, l'arrêt de la pompe est commandé par un pressostat dès que la pression prédéterminée est atteinte,la remise en ser- vice se faisant par le même pressostat à une pression infé- rieure. Ce dispositif a trois inconvénients principaux: 1. Il nécessite un réservoir de forte capacité avec tampon d'air sous pression de manière à restituer automati- quement de l'eau, en cas de besoin, pour empêcher des batte- ments dommageables pour la pompe et qui sont dus au modé de fonctionnement suivant: si le débit d'utilisation devient inférieur à un débit minimum correspondant à une pression maximum détectée par le pressostat et à partir de laquelle il arrête la pompe, la durée pendant laquelle la pompe reste à l'arrêt est directement proportionnelle au volume du réser- voir. Si celui-ci est trop faible, la pression redevient très rapidement inférieure au seuil de mise en marche, ce qui crée des battements. 2. Il nécessite un contrôle fréquent des points de consigne du pressostat et dégonflage du tampon d'air. Si les points de consigne du pressostat deviennent trop proches, il se produit des battements. S'ils sont trop éloignés, la pompe ne s'arrête plus. Si la pression de gonflage de la réserve d'air, fournissant la pression nécessaire à l'expulsion de l'eau du réservoir, diminue, cela se traduit par une diminu- tion de la quantité d'eau restituée, qui devient insuffi- sante, tandis que si la pression augmente trop, il n'y a même plus de réserve d'eau. 3. La pression dans l'installation oscille entre deux valeurs, de sorte que l'utilisateur ressent, même en fonctionnement normal, des variations de pression qui sont désagréables, notamment dans les douches. La solution la plus rationnelle consiste à modifier les caractéristiques de la pompe en fonction de différents paramètres: (pression, niveau, débit). Pour modifier les caractéristiques de la pompe, il suffit de faire varier sa vitesse de rotation; pour cela, le moteur est alimenté par un dispositif électronique permettant de modifier soit la fréquence du courant (dans le cas d'une variation de fréquence), soit la tension d'alimentation (dans le cas d'un gradateur). Pour ce faire, un capteur de pression analogique (dont le signal de sortie varie proportionnelle- ment avec la pression) détecte la pression dans le conduit de refoulement de la pompe et la compare à un point de consigne. Dans le cas o la valeur relevée par le capteur est diffé- rente de la valeur de référence, un circuit de traitement dit P I D modifie la vitesse du moteur, afin de revenir en perma- nence à la consigne de référence. Dans ce principe, il est fait appel à des dispositifs standard (variateur de fré- quence, capteur analogique, centrale de mesure P I D) mais qui sont très coûteux et qui nécessitent une grande compé- tence, car ils sont difficiles à régler. L'invention pallie ces inconvénients par un groupe motopompe qui maintient la pression dans l'installation à une valeur suffisamment faible pour ne pas l'endommager même dans le cas d'une remontée de la nappe phréatique, sans surdimen- sionnement de l'installation, sans perte de rendement, sans mettre en oeuvre d'équipements compliqués et mobiles, diffi- ciles à faire fonctionner et à entretenir et susceptibles de provoquer des battements'et des variations de pression dés- agréables. L'invention a donc pour objet un groupe motopompe comprenant une pompe à tuyauterie de refoulement, un motova- riateur entraînant la pompe et un circuit de marche-arrêt du motovariateur. Suivant l'invention, il est prévu un capteur analogique de pression, détectant la pression régnant dans la tuyauterie de refoulement et commandant le motovariateur en fonction de cette pression et un capteur de débit, détectant un seuil minimum de débit du fluide passant dans la tuyaute- rie de refoulement et commandant le circuit de marche-arrêt de manière à le mettre en position de marche quand le débit devient supérieur à ce seuil. Si la pression, dans la tuyauterie de refoulement, augmente, par exemple à la suite d'une remontée de la nappe phréatique, le capteur analogique de pression commande en conséquence le motovariateur et, en diminuant la vitesse de rotation de la pompe, tend à faire diminuer la pression. Mais, comme le circuit de marche-arrêt est commandé par le capteur de débit, on supprime les battements. En outre, le capteur de débit et le capteur analogique de pression nLont pas à être réglés à des points de consigne très stricts. Une dérive dans le temps de ces appareils ne se traduit que par un déplacement insignifiant du point de fonctionnement du groupe motopompe, sans apporter aucune gêne à l'utilisateur. Suivant un-mode avantageux de réalisation, le cap- teur analogique de pression commande le motovariateur par l'intermédiaire d'un transducteur pression-tension ou pres- sion-courant, transformant la caractéristique de pression en une caractéristique transformée, en tension ou en courant, suivant une loi de transformation prescrite, qui n'est pas proportionnelle. En particulier, la caractéristique transfor- mée correspond à une caractéristique pression-débit du groupe motopompe passant, d'une part, par le point de la partie exploitée de la caractéristique réelle pression-débit du groupe motopompe ayant la pression la plus basse et, d'autre part, par le point de débit nul ayant la même ordonnée que le point de la partie exploitée de la caractéristique réelle pression-débit du groupe motopompe ayant la pression plus élevée. Grâce à cette transformée, on peut s'affranchir de la courbe réelle pression-débit de la pompe, au moins pour effectuer la commande du variateur de vitesse, et substituer à cette courbe réelle une courbe artificielle que l'on conforme au mieux de ce qui est souhaité pour l'exploitation. En particulier, il est aisé de donner à cette courbe trans- formée des ordonnées extrêmes de valeur de pression dans le graphique représentant les variations de la pression en fonc- tion du débit, moins distantes qu'auparavant, de sorte que l'utilisateur ressent moins de variations de pression. Il est en outre possible de donner à la partie initiale de la courbe caractéristique issue de l'axe des ordonnées une forme sensi- 6 2645213 blement parallèle à l'axe des débits, en sorte que, au début lorsque l'on ouvre un robinet, on obtient très rapidement une grande variation de débit pour pratiquement la même pression, alors que c'était là justement, auparavant, que les varia- tions de pression se faisaient le plus sentir. Suivant un mode de réalisation, le-capteur de pres- sion commande, par l'intermédiaire d'un transducteur pres- sion-tension ou pression-courant, dénommé transducteur basse pression et transformant une pression inférieure à un premier seuil donné en un signal temporaire, le circuit de marche- arrêt de manière à le mettre en position de marche quand la pression devient inférieure à ce premier seuil donné. Le capteur de pression peut commander aussi, par l'intermédiaire d'un transducteur pression-tension ou pres- sion-courant dit transducteur de surpression, et transformant une pression supérieure à un second seuil donné en un signal permanent, le circuit de marche-arrêt, de manière à le mettre en position d'arrêt quand la pression devient supérieure à ce second seuil donné, dit seuil de surpression. On obtient ainsi une sécurité en cas de surpression accidentelle. Suivant un mode de réalisation préféré, la sortie du transducteur basse pression est connectée à la première entrée d'une porte OU dont l'autre entrée est reliée à la sortie d'un transducteur débit-courant ou débittension du capteur de débit et dont la sortie est reliée à la première entrée d'une porte OU.EX dont la seconde entrée est reliée à la sortie du transducteur de surpression et dont la sortie est reliée au circuit de marche-arrêt. On associe ainsi avan- tageusement la protection, vis-à-vis d'un incident, et le mode de fonctionnement normal. De préférence, un temporisateur est intercalé entre la sortie du transducteur basse pression et la première entrée de la porte OU de manière que la pompe ait le temps d'assurer un débit. Dans le cas contraire, il y a anomalie et le circuit de marche-arrêt de la pompe arrête celle-ci. On prévoit également un temporisateur intercalé entre la sortie du transducteur du capteur de débit et la seconde entrée de la porte OU, de manière à assurer une certaine durée de fonc- tionnement du moteur et à empêcher les battements. Même si le système de réserve d'eau mis sous pression se dérégle, ce temporisateur limite les battements. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple: la figure 1 est une schéma synoptique du groupe motopompe suivant l'invention; la figure 2 est une graphique représentant la courbe réelle de la pompe (courbe I) et la courbe transformée (courbe II), les débits en m3 à l'heure étant portés en abs- cisses et les hauteurs manométriques totales en mètre étant portées en ordonnées; la figure 3 est un graphique représentant la varia- tion de la tension de sortie du capteur analogique de pres- sion, en fonction de la pression régnant dans la tuyauterie de refoulement; et la figure 4 est un graphique représentant la varia- tion de la tension à la sortie de l'amplificateur de bande proportionnelle en fonction de la pression régnant dans la tuyauterie de refoulement. En se reportant à la figure 1, une pompe i centri- fuge a une tuyauterie de refoulement 2 comportant en dériva- tion un réservoir-tampon 3. La pompe 1 est entraînée en rota- tion par un motovariateur 4. Sur la tuyauterie de refoulement 2 est monté un capteur de débit 5 et un capteur de pression analogique 6. Le motovariateur 5 est mis en marche ou mis à l'arrêt par un circuit de marche-arrêt 7. Le capteur de pression analogique 6 est relié à un amplificateur de bande proportionnelle 8 par un conducteur 9, à un transducteur basse pression 10, par l'intermédiaire d'un conducteur 11, et à un transducteur de surpression 12 par un conducteur 13. La sortie de l'amplificateur de bande propor- 8 2645213 tionnelle 8 est reliée par un conducteur 14 au motovariateur 4. La sortie du transducteur basse pression 10 est reliée, par l'intermédiaire d'un conducteur 15 et d'un temporisateur 16, à la première entrée 17 d'une porte OU 18. La sortie 19- de la porte OU est reliée, par un conducteur 20, à une pre- mière entrée 21 d'une porte OU.EX 22. La sortie 23 de la porte OU.EX est reliée, par un conducteur 24, au circuit de commande de marche-arrêt 7. Le capteur de débit 5 comporte un transducteur 25 dont la sortie est reliée par un conducteur 26 et par un tem- porisateur 27 à la seconde entrée 28 de la porte OU 18. La sortie du transducteur de surpression 12 est reliée par un conducteur 29 à la seconde entrée 30 de la porte OU.EX 22. On décrit maintenant le fonctionnement du groupe motopompe suivant l'invention, en supposant d'abord que le robinet 31 monté à l'extrémité de la tuyauterie de refoule- ment 2 est fermé. La pression régnant dans cette tuyauterie de refoulement 2 est égale à Ho sur le graphique de la figure 2. La pompe 1 est arrêtée. On ouvre le robinet 31. La capacité 3 de très faible volume, par exemple d'un volume de 1 litre, et qui est destinée simplement à faire en sorte que le clapet de sortie de la pompe 1 soit maintenu fermé, restitue un très faible volume d'eau à la tuyauterie de refoulement 2. La pression dans la tuyauterie de refoulement 2 s'abaisse à la valeur H1 à la figure 2 qui constitue un seuil basse pression. Le cap- teur de pression 6 détecte la pression qui règne dans la tuyauterie de refoulement 2 et la transforme en une tension électrique, conformément à la courbe de la figure 3. Par le conducteur 11, cette tension est envoyée au transducteur basse pression-10 qui émet un signal limité dans le temps par le temporisateur 16 et entrant dans la porte OU par l'entrée 17. Ce signal met à l'état 1, par le conducteur 20, l'entrée 21 de la porte OU. EX 22 et, comme l'entrée 30 de la porte 9 2645213 OU.EX 22 est à l'état zéro, la sortie 23 de la porte OU.EX 22 est à l'état 1 et transmet le signal au circuit marche-arrêt 7, par le conducteur 24. Le circuit de marche-arrêt commande la mise en marche du motovariateur 4 et donc de la pompe 1. De l'eau arrive dans la tuyauterie de refoulement 2. Le capteur de débit 5 détecte que le débit dépasse un seuil donné. Par son transducteur 25, le conducteur 26 et le tempo- risateur 27, il envoie un signal à l'entrée 28 de la porte OU. Ce signal arrive, en passant par la sortie 19, le conduc- teur 20, l'entrée 21, la sortie 23 et le conducteur 24, au circuit de marche-arrêt 7. Celui-ci maintient donc le motova- riateur 4 en fonctionnement, le signal arrivant à l'entrée 28 de la porte OU 18 prenant ainsi le relais du signal tempo- raire arrivant à l'entrée 17 de la porte OU 18. Dans le même temps, le capteur de pression 6 détecte une nouvelle pression plus élevée dans la tuyauterie de refoulement 2. Par le conducteur 9, il envoie cette tension à l'entrée de l'amplificateur de bande proportionnelle 8, lequel délivre en sortie une tension conformément à la courbe de la figure 4. On notera que la courbe de la figure 4 est la courbe trans- formée de celle de la figure 3, suivant une loi qui n'est pas proportionnelle et en particulier qu'elle comporte un plateau A initial entre 0 et 3 bar et un plateau B terminal entre 6 et 10 bar, avec une variation proportionnelle entre les deux plateaux. Cette tension transformée est acheminée, par le conducteur 14, au variateur de vitesse 4 qui voit ainsi non pas une tension proportionnelle à la pression détectée par le capteur de pression 6, mais une tension transformée corres- pondant à la pression que l'on souhaite obtenir dans la tuyauterie de refoulement 2. Le motovariateur 4 commande, en conséquence, la vitesse de rotation de la pompe 1 et établit ainsi une pression HF à la figure 2 correspondant à un point de fonctionnement à l'intersection E de la courbe transformée II et de la courbe de perte de charge III de l'installation. On suppose maintenant que l'on referme le robinet -2645213 31. La pression dans la tuyauterie de refoulement 2 augmente le long de la courbe E Ho à la figure 2. Lorsqu'on atteindra l'intersection, à la figure 2, de la courbe EHo et du seuil de débit minimum représenté par la droite X, X' à la figure 2 et détecté par le capteur de débit 5, celui-ci va envoyer- par son transducteur 25, par le conducteur 26 et par le tempori- sateur 27, un signal d'arrêt mettant l'entrée 28 de la porte OU 18 à l'état zéro, pourvu que la durée de temporisation définie par le temporisateur 27 se soit écoulée et cela afin d'éviter des battements. Comme le signal temporaire a disparu et que l'entrée 17 est à l'état zéro, et comme l'entrée 28 est à l'état zéro, la sortie de la porte OU est à l'état zéro. Cet état se transmet à l'entrée 21 de la porte OU.EX 22. Comme ce même état règne à l'entrée de la porte 30, l'état zéro règne à la sortie 23 de la porte OU.EX 22 et le circuit de marche-arrêt 7 donne un ordre d'arrêt au motova- riateur 4. La pompe i s'arrête. On a retrouvé l'état initial. On suppose maintenant qu'on ouvre à nouveau le robinet 31, mais alors que la nappe phréatique s'est élevée. On voit qu'en raison de -l'amplificateur de bande proportion- nelle 8, la pression régnant dans la tuyauterie de refoule- ment 2, sera toujours régie par la courbe transformée de la figure 4 et ne pourra jamais dépasser une limite prescrite. On suppose maintenant qu'il se produit accidentel- lement une surpression dans la tuyauterie de refoulement 2 due par exemple à un coup de bélier. Le capteur de pression 6 détecte cette pression et la transforme en une tension qui est acheminée, par le conducteur 13, au transducteur de sur- pression 12 qui, par le conducteur 29, met l'entrée 30 de la porte OU.EX 22 à l'état 1. Si, à cet instant, la pompe 1 fonctionne, l'entrée 21 de la porte OU.EX 22 est, elle aussi, à l'état 1. Comme les deux entrées 21 et 30 de la porte OU.EX 22 sont toutes deux à l'état 1, la porte 22 n'est pas passante et commande, par le conducteur 24, le circuit de marche- arrêt 7 de manière que celui-ci arrête le motovariateur 4, et donc la pompe 1. On suppose maintenant que, par accident, la pompe 1 fonctionne, alors que le robinet 31 est ouvert, mais que la pompe ne débite pas d'eau. Le capteur de débit 5 constate que le débit, dans la tuyauterie de refoulement 2, est inférieur au seul défini par X-X' à la figure 2. Par le transducteur , le conducteur 26 et le temporisateur 27, il met l'entrée 28 de la porte OU 18 à l'état zéro et de ce fait ne valide pas l'ordre de mise en marche temporaire émis par le trans- ducteur 10. L'entrée 21 de la porte OU.EX 22 est mise ainsi à l'état zéro par le conducteur 20. Comme l'entrée 30 est, elle aussi, à l'état zéro puisqu'il n'y a pas de surpression, la porte OU.EX 22 n'est pas passante. Le circuit de marche-arrêt 7 n'est pas excité et donne un ordre d'arrêt au motovariateur 4. La pompe 1 s'arrête. REVENDICATIONS 1. Groupe motopompe comprenant une pompe (1) tuyauterie de refoulement (2), un motovariateur (4) entraî- nant la pompe (1) et un circuit de marche-arrêt (7) du moto- variateur (4), caractérisé par un capteur analogique de pres- sion (6) détectant la pression régnant dans la tuyauterie de refoulement (2) et commandant le motovariateur (4) en fonc- tion de cette pression, et par un capteur de débit (5), détectant un seuil minimum de débit du fluide passant dans la tuyauterie de refoulement (2) et commandant le circuit de marche-arrêt (7) quand le débit devient supérieur à ce seuil, de manière à le mettre en position de marche. 2. Groupe motopompe suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le capteur analogique de pression (6) commande le motovariateur (4) par l'intermédiaire d'un trans- ducteur (8) pression-tension ou pression-courant, transfor- mant la caractéristique de pression et une caractéristique transformée en tension ou en courant, suivant une loi de transformation prescrite qui n'est pas proportionnelle. - 3. Groupe motopompe suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la caractéristique transformée correspond à une caractéristique pression-débit du groupe motopompe, passant d'une part par le point de la partie exploitée de la caractéristique réelle pressiondébit du groupe motopompe ayant la pression la plus basse (Hl) et, d'autre part, par le point (Ho) de débit nul ayant la même ordonnée que le point 13 2645213 de la partie exploitée de la caractéristique réelle pression- débit du groupe motopompe ayant la pression la plus élevée. 4. Groupe motopompe suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le capteur de pression (6) com- mande, par l'intermédiaire d'un transducteur (10) pression- tension ou pression-courant, désigné par trans-ducteur basse pression et transformant une pression inférieure à un premier seuil donné en un signal temporaire, le circuit de marche- arrêt (7), de manière & le mettre en position de marche quand la pression devient inférieure à ce premier seuil donné. 5. Groupe motopompe suivant l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur de pression commande, par l'intermédiaire d'un transducteur (12) pres- sion-tension ou pression-courant, désigné par transducteur de surpression et transformant une pression supérieure à un second seuil donné en un signal permanent, le circuit de marche-arrêt (7) de manière à le mettre en position d'arrêt quand la pression devient supérieure à ce second seuil donné. 6. Groupe motopompe suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie du transducteur basse pres- sion (10) est reliée à la première entrée (17) d'une porte OU (18) dont l'autre entrée (28) est reliée à la sortie d'un transducteur (25) débitcourant ou débit-tension du capteur de débit (5), et dont la sortie (19) est reliée à la première entrée (21) d'une porte OU.EX (22) dont la seconde entrée (30) est reliée à la -sortie du transducteur de surpression (12) et dont la sortie (23) est reliée au circuit de marche- arrêt (7). 7. Groupe motopompe suivant l'une des revendica- tions 4 a 6, caractérisé par un temporisateur (16) intercalé entre la sortie du transducteur basse pression (10) et la première entrée (17) de la porte OU (18). 8. Groupe suivant l'une des revendications 4 à 7, caractérise en ce que le capteur de pression commande, par l'intermédiaire d'un transducteur (12) pression-tension ou Z645213 pression-courant désigné par transducteur de surpression, et transformant une pression supérieure à un second seuil donné en un signal permanent, le circuit,de marche-arrêt (7) de manière à le mettre en position d'arrêt quand la pression devient supérieure à ce second seuil donné.