Brevet FR2674910A1 — publié le 19921009

PROCEDE POUR LA REALISATION D'UN OBTURATEUR DE POTENTIOMETRE A PLUIDE, OBTURATEUR REALISE, ET POTENTIOMETRE A PLUIDE EQUIPE D'UN TEL OBTURATEUR L'invention concerne un procédé pour la réalisation d'un obturateur de potentiomètre à fluide comportant - une chambre, dite amont, destinée à être alimentée au moyen d'un fluide délivré à une pression Pi, - une chambre, dite aval, dotée d'une buse de fuite de diamètre D et d'une sortie d'utilisation, - une restriction séparant les chambres amont et aval et comportant un orifice déterminant une section minimale So de passage de fluide et débouchant dans ladite chambre aval, ledit obturateur étant destiné à venir en regard de la buse de fuite dudit potentiomètre et à être déplacé sur une distance emax par rapport à une position de fermeture de ladite buse. Elle s'étend à un obturateur réalisé-par la mise en oeuvre de ce procédé ainsi qu'à un potentiomètre à fluide équipé d'un tel obturateur. Les potentiomètres à fluide actuels équipés d'un modulateur de débit de fuite, communément dénommés systèmes buses-palettes, couvrent un vaste domaine d'applications dans différents secteurs des systèmes automatisés. Ils constituent des systèmes à modulation de pression qui permettent de traduire le déplacement d'une palette par une variation de pression d'utilisation. Bien que d'une utilisation courante, de tels potentiomètres présentent toutefois un inconvénient important. En effet, ils présentent un comportement non linéaire ou, autrement dit, la courbe donnant la pression d'utilisation en fonction du déplacement de la palette n'est pas linéaire. Ce comportement non linéaire est en outre observé quel que soit le fluide, gaz ou liquide, utilisé, c'est-à-dire que le fluide soit compressible ou incompressible. De plus, il n' existe aucun moyen de modifier la courbe de fonctionnement de ces potentiomètres qui est uniquement fonction de la géométrie interne de ces derniers et en particulier de la restriction séparant les chambres amont et aval. A titre d'illustration, une courbe de fonctionnement d'un potentiomètre classique est représentée à la figure i annexée. Le comportement non linéaire ressort clairement de cette courbe. De plus, dans la portion de cette dernière correspondant à de faibles pressions d'utilisation, on constate que la sensibilité du système devient très faible. La présente invention vise à pallier les inconvénients des potentiomètres à fluide connus et a pour principal objectif de fournir un potentiomètre dont la pression d'utilisation en fonction du déplacement (e) de l'obturateur soit parfaitement déterminée, et notamment linéaire. Un autre objectif de l'invention est de fournir un potentiomètre dont la pression d'utilisation puisse être déterminée quel que soit le fluide d'alimentation, gaz ou liquide, classiquement utilisé dans les systèmes automatisés. Un autre objectif est de fournir un potentiomètre dont le gain est facilement déterminable. A cet effet, l'invention vise un procédé pour la réalisation d'un obturateur pour un potentiomètre à fluide fournissant une pression d'utilisation Pc qui soit une fonction prédéterminée F(e) du déplacement e de l'obturateur, P(e) étant décroissante, définie pour e compris entre O et emax et telle que F(O) = Pi, ledit procédé étant caractérisé en ce que (a) pour e compris entre O et emax et avec un pas prédéterminé, on détermine Sf(e) par résolution du système ( go (lo) Pi2 = gf (lf) [F(e)]2 = laPa2 ) ( ) ( ) ( lo = gf (lf) : go (lo) = # So2 ( : ) ( : : : ) ( la = lf : gf (lf) = # Sf2 : la = lf : gf (lf) = # Sf2) ( : : : ) ( si . si si . si Pa Pa Pa (XPi#F(e)# : F(e)#Max(XPi,) : F(e)# : #F(e)#XPi) ( : : Min(XPi, : ) ( : : : ) ( : : : ) où .Pa représente la pression extérieure, est le coefficient d'isentropicité du fluide d 'alimentation, = A = 2 (b) à partir de e = O et jusqu a obtention d'un éventuel point de rebroussement, on calcule, avec le pas précité, x et y par résolution du système . (e - y) y' - xx' = 0 Sf2 (e) = ç 2 (D - x)2 (x2 + (e - y)2) (c) et on réalise un obturateur de forme adaptée pour pouvoir pénétrer dans la buse de fuite, ledit obturateur présentant une symétrie de révolution et comportant une base circulaire de diamètre D et un profil engendré par une génératrice donnée par l'équation y = f (x) pour chaque x et y calculé précédemment. Un tel procédé permet la réalisation d'un obturateur tel que la pression du potentiomètre en fonction de la position de cet obturateur vis-à-vis de la buse obéisse à la loi Pc = F(e). Ce type d'obturateur peut être utilisé avec des systèmes de géométries et de fonctions très variées ; il peut permettre, grâce à un choix judicieux de la fonction F(e), de linéariser les caractéristiques de fonctionnement de nombreux dispositifs hydrauliques ou pneumatiques en annulant les effets non linéaires engendrés par des parties mécaniques ou électriques ou ayant une autre origine. Il peut notamment permettre de concevoir des organes de régulation ou des servocommandes au comportement homogène car linéaires sur la majeure partie de leur plage de fonctionnement. Par ailleurs, la valeur de emax peut être choisie de façon arbitraire sans qutil n'existe de limite haute théorique de cette valeur. Toutefois dans la pratique, cette valeur de emax est généralement choisie de façon à être compatible avec la longueur de débattement physique du support de l'obturateur. Il est à noter toutefois qu'il convient de choisir une valeur de emax suffisamment grande pour que la fonction F(e) ne présente pas de pentes localement trop importantes. Selon un mode de réalisation préférentiel visant à fournir un potentiomètre à fluide dont le comportement soit linéaire, on détermine Sf(e) en prenant P(e) = Pi - e (Pi - Pa). emax Dans ce cas en outre, sachant que le gain du potentiomètre est donné par la formule gain = Pi - Pa, on emax constate que la valeur de emax peut être choisie de façon à obtenir un potentiomètre possédant un gain donné. Il est à noter qu'inversement il est possible pour un emax donné de connaître parfaitement le gain du potentiomètre. Par ailleurs, lorsque le fluide d'alimentation du potentiomètre est un liquide, la valeur de Sf(e) est directement donnée par En outre, selon un mode de mise en oeuvre préférentiel, on réalise un obturateur se prolongeant au-delà de la base de diamètre D, et dans la zone correspondant à des y (e) négatifs, par un tronçon d'extrémité. Ce tronçon venant en prolongement de l'obturateur permet en effet de faciliter l'écoulement du débit de fuite pour de petites valeurs de e. De plus, selon une autre caractéristique de l'invention, on confère avantageusement à l'obturateur la forme d'une calotte pour des valeurs de e supérieures à la valeur correspondant au point de rebroussement. L'invention s'étend à un obturateur pour potentiomètre à fluide destiné à être positionné en regard de la buse de fuite dudit potentiomètre et à être déplacé sur une distance emax par rapport à une position de fermeture de ladite buse. Selon l'invention, ce potentiomètre comprend une base circulaire de diamètre D et un profil obéissant à l'équation y = f (x) dans laquelle x, y sont calculés par résolution du système (e - y) y' - xx' = O Sf2 (e) = #2 (D - x)2 (x2 + (e - y)2) . pour des valeurs de e croissant de zéro jusqu'à l'obtention d'un éventuel point de rebroussement, avec un pas prédéterminé, et dans lequel Sf (e) est déterminé au préalable pour chaque valeur de e par résolution du système ( go (lo) Pi2 = gf (lf) [F(e)]2 = laPa2 ) ( ) ( ) ( : ) ( lo = gf (lf) : go (lo) = # So2 ) ( : ) ( : : : ) ( la = lf : gf (lf) = # Sf2 : la = lf : gf (lf) = # Sf2) . ( si . si : si si ) Pa Pa Pa (XPi#F(e)# :F(e)#Max(XPi, ) : F(e)# : #F(e)#XPi) ( : : Min(XPi,) : ) ( : : : ) ( : : : ) où Pa représente la pression extérieure, . # est le coefficient d'isentropicité du fluide d'alimentation, A A = 2 1 Y L'invention s'étend également à un potentiomètre à fluide doté d'un obturateur réalisé par le procédé de l'invention. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure 1 est une courbe représentant la réponse d'un potentiomètre à fluide actuel, - la figure 2 est une courbe représentant la réponse linéaire d'un potentiomètre à fluide selon l'invention, - la figure 3 représente schématiquement un potentiomètre à fluide muni d'un obturateur conforme à l'invention, - et la figure 4 représente le profil d'un obturateur conforme à l'invention. Le potentiomètre à fluide 1 représenté à la figure 3 est un potentiomètre conforme à l'invention dont la courbe de fonctionnement est linéaire, et ce quel que soit le fluide d'alimentation, gaz ou liquide, classiquement utilisé dans les systèmes automatisés. Ce potentiomètre comprend en premier lieu, de façon classique - une chambre amont 2 alimentée au moyen d'un fluide délivré à une pression Pi, - une chambre aval 3 dotée d'une buse de fuite 4 de diamètre D, et d'une sortie 5 d'utilisation, - une restriction 6 séparant les chambres amont 2 et aval 3 et comportant un orifice 7 déterminant une section minimale So de passage de fluide et débouchant dans ladite chambre aval. Ce potentiomètre 1 comprend, en outre, un obturateur 8 de forme adaptée pour pénétrer sur sa plus grande longueur à l'intérieur de la buse de fuite 4. Cet obturateur 8 est fixé sur un support 9 destiné à être associé, de façon classique, à des moyens de déplacement dudit obturateur permettant de le déplacer sur une distance emax à partir d'une position de fermeture de la buse de fuite 4. Tel que représenté à la figure 4, l'obturateur 8 se décompose longitudinalement en trois tronçons - un tronçon de base 8a de forme tronconique destiné à etre fixé sur le support 9 par sa base de plus grand diamètre, et se raccordant au tronçon médian 8b par une base circulaire de diamètre D, - un tronçon médian 8b dont le profil est déterminé selon le procédé explicité ci-dessous, - et un tronçon d'extrémité 8c présentant la forme d'une calotte arrondie. Le tronçon médian 8b de cet obturateur 8 présente, en premier lieu, et comme indiqué ci-dessus, un diamètre de base égal au diamètre D de la buse de fuite 4. Il présente en outre un profil obéissant à l'équation y = f (x) dans laquelle x, y sont calculés par résolution du système (e - y) y' - xx' = 0 Sf2 (e) = #2 (D - x)2 (x2 + (e - y)2) pour des valeurs de e croissant de zéro jusqu'à l'obtention d'un point de rebroussement, avec un pas prédéterminé, et dans lequel Sf (e) est déterminé au préalable pour chaque valeur de e par résolution du système e ( go (lo) Pi2 = gf (lf) #Pi - (Pi - Pa)#2 = laPa2 emax ( ( lo = gf (lf) . go (lo) = f So2 ) ( la = lf : gf (lf) = # Sf2 : la = lf : gf (lf) = # Sf2) ( : : : ) ( : : : ) ( si : si : si : si ) ( : : : ) ( e1#e#e2 : e#min (e1,e2) : e#max (e1,e2): e2#e#e1) ( : : où : .Pa représente la pression extérieure, . &gamma; est le coefficient d'isentropicité du fluide d'alimentation, Pi - Pa/X . e1 = emax Pi - Pa . e2 = emax Pi (1 - X) Pi - Pa .A = ~~~~~ 1 Y La courbe de réponse du potentiomètre à fluide 1 obtenue lors du déplacement de cet obturateur 8 à partir d'une position où il obture la buse de fuite 4, c'està-dire où le tronçon médian 8b est situé entièrement à l'intérieur de cette buse, est représentée à la figure 2 qui en illustre l'avantage essentiel, à savoir la linéarité. Il ressort en outre de cette figure 2 que la courbe est linéaire jusqu'à un point R qui correspond au point de rebroussement. Il est à noter que la position de ce point R est d'autant plus basse que emax est grand. Un exemple de calcul de quelques points (entourés d'un cercle à la figure 4) du profil d'un obturateur 8 conforme à l'invention est donné ci-dessous à titre d'illustration. Données D = 2,5 mm So = 0,7854 mm2 emax = 3,5 mm Pa = 1 bar Pi = 4 bars # = 1,405 Résultats intermédiaires e1 = 2,455 mm e2 = 2,205 mm t = 0,3345 X = 0,5274 A = - 6,938 Détermination de Sf(e) ( : : : : : : ) (e(mm):lo(mm2):la(mm2): lf(mm2) : go(mm2) : gf(mm2) : Sf(mm2)) ( : : : : : ( 0,1 :0,0192 : 0,2942: 0,06901 : 0,01839 : 0,0192 : 0,2396 ) (-----:-------:-------:---------:---------:---------: ( 0,2 :0,0392 : 0,5746: 0,1409 : 0,03591 : 0,0392 : 0,3423 ) (-----:-------:-------:---------:---------:---------: ( 0,3 :0,06005: 0,8412: 0,2158 : 0,05257 : 0,06005 : 0,4237 ) (-----:-------:-------:---------:---------:---------: ( 0,4 : 0,0818: 1,094 : 0,294 : 0,06838 : 0,0818 : 0,4945 ) ( : : : : : : ) Cotes du profil pour un pas de calcul de 0,1 mm ( : : ) ( e (mm) : x (mm) : y (mm) ) (--------:------------:------------) ( 0 : 0 : 0 ) (--------:------------:------------) ( 0,1 : 0,029 : 0,091 ) (--------:------------:------------) ( 0,2 : 0,044 : 0,194 ) (--------:------------:------------) ( 0,3 : 0,055 : 0,294 ) (--------:------------:------------) ( 0,4 : 0,064 : 0,394 ) ( : : ) REVENDICATIONS 1/ - Procédé pour la réalisation d'un obturateur (8) pour un potentiomètre à fluide (I) comportant - une chambre (2), dite amont, destinée à être alimentée au moyen d'un fluide délivré à une pression Pi, - une chambre (3), dite aval, dotée d'une buse de fuite (4) de diamètre D et d'une sortie d'utilisation (5), - une restriction (6) séparant les chambres amont (2) et aval (3) et comportant un orifice (7) déterminant une section minimale So de passage de fluide et débouchant dans ladite chambre aval, ledit obturateur étant destiné à venir en regard de la buse de fuite (4) dudit potentiomètre et à être déplacé sur une distance emax par rapport à une position de fermeture de ladite buse, ledit procédé étant caractérisé en ce que (a) pour e compris entre 0 et emax et avec un pas prédéterminé, on détermine Sf(e) par résolution du système ( go (lo) Pi2 = gf (lf) [F(e)]2 = laPa2 ) ( ) ( lo = gf (lf) . go (lo) = # So2 ) ( : ) ( la = lf : gf (lf) =Sf2 : la = 1f : gf (lf) =#Sf2) ( : : : ) ( : : : ) ( si : si : si : si ) ( : : : ) Pa Pa Pa (XPi#F(e)# : F(e)#Max(XPi,) : F(e)# : #F(e)#XPi) ( X : X : Min(XPi,Pa) : ) ( X: ) ( : : : ) ou F(e) est une fonction décroissante définie pour e compris entre 0 et emax et telle que F(O) = Pi, Pa représente la pression extérieure, est le coefficient d'isentropicité du fluide d'alimentation, A = 1 - # (b) à partir de e = O et jusqu'à obtention d'un éventuel point de rebroussement, on calcule, avec le pas précité, x et y par résolution du système : . (e - y) y' - xx' = 0 .Sf2 (e) = 1I'2 (D - x)2 (x2 + (e - y)2) (c) et on réalise un obturateur (8) de forme adaptée pour pouvoir pénétrer dans la buse de fuite (4), ledit obturateur présentant une symétrie de révolution et comportant une base circulaire de diamètre D et un profil engendré par une génératrice donnée par l'équation y = f (x) pour chaque x et y calculé précédemment. 2/ - Procédé selon la revendication i pour la réalisation d'un potentiomètre à fluide dont le comportement soit linéaire, caractérisé en ce que (a) on détermine Sf(e) en prenant F(e) = Pi - e (Pi - Pa). emax 3/ - Procédé selon la revendication 2 pour la réalisation d'un obturateur (8) pour un potentiomètre à liquide (1), caractérisé en ce que (a) on détermine Sf (e) par résolution de l'équation 4/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on réalise un obturateur (8) se prolongeant au-delà de la base de diamètre D, et dans la zone correspondant à des y (e) négatifs, par un tronçon d'extrémité (8a). 5/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que, au-delà de la valeur de e correspondant au point de rebroussement, l'on confère à l'obturateur (8) la forme d'une calotte (8c). 6/ - Obturateur pour potentiomètre à fluide comportant - une chambre (2), dite amont, destinée à être alimentée au moyen d'un fluide délivré à une pression Pi, - une chambre (3), dite aval, dotée d'une buse de fuite (4) de diamètre D et d'une sortie d'utilisation (5), - une restriction (6) séparant les chambres amont (2) et aval (3) et comportant un orifice (7) déterminant une section minimale So de passage de fluide et débouchant dans ladite chambre aval, ledit obturateur, destiné à être positionné en regard de la buse de fuite (4) dudit potentiomètre et à être déplacé sur une distance emax par rapport à une position de fermeture de ladite buse, étant caractérisé en ce qu il présente une symétrie de révolution et comprend une base circulaire de diamètre D et un profil engendré par une génératrice obéissant à l'équation y = f (x) dans laquelle x, y sont calculés par résolution du système (e - y) y' - xx' = O Sf2 (e) = Ti'2 (D - x)2 (x2 + (e - y)2) pour des valeurs de e croissant de zéro jusqu'à l'obtention d'un éventuel point de rebroussement, avec un pas prédéterminé, et dans lequel Sf (e) est déterminé au préalable pour chaque valeur de e par résolution du système ( go (lo) Pi2 = gf (lf) [F(e)]2 = laPa2 ) ( ) ( lo = gf (lf) : go (lo) = # So2 ) ( : : ) ( la = lf : gf (lf) = #Sf2 : la = lf : gf (lf) = #Sf2) ( : : : ) ( : : : ) ( si . si . si . si ) ( : : : ) Pa Pa Pa (XPi#F(e)# : F(e)#Max(XPi, ) : F(e)# : #F(e)#XPi) ( X X : : Min(XPi,2a) : X ) ( : : : ) ( : : : ) où Pa représente la pression extérieure, . F(e) est une fonction décroissante définie pour e compris entre 0 et emax, et telle que F(O) = Pi, . T est le coefficient d'isentropicité du fluide d'alimentation, A A = 2# - Y 7/ - Obturateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un tronçon d'extrémité (8a) dans le prolongement de sa base. 8/ - Obturateur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte audelà de son tronçon (8b) présentant un profil obéissant à l'équation y = f (x), un tronçon d'extrémité (8c) ayant la forme d'une calotte. 9/ - Potentiomètre à fluide comprenant - une chambre (2), dite amont, destinée à être alimentée au moyen d'un fluide délivré à une pression Pi, - une chambre (3), dite aval, dotée d'une buse de fuite (4) de diamètre D et d'une sortie d'utilisation (5), - une restriction (6) séparant les chambres amont (2) et aval (3) et comportant un orifice (7) déterminant une section minimale So de passage de fluide et débouchant dans ladite chambre aval, - un obturateur (8) destiné à venir en regard de la buse de fuite dudit potentiomètre et à être déplacé sur une distance emax à partir d'une position de fermeture de ladite buse, ledit potentiomètre étant caractérisé en ce que l'obturateur (8) est réalisé selon le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 5.