Brevet FR2713362A1 — publié le 19950609

DISPOSITIF POUR DOSER UN FLUIDE DE MANIERE CONTROLÉE. La présente Invention concerne un dispositif de dosage de fluides à partir d'un réservoir ou de conduites sous pression. Plus précisément, II s'agit d'injecter de manière contrôlée de faibles quantités de fluide. Dans de nombreuses situations, on est amené ô injecter de faibles quantités de fluides, par exemple pour effectuer des dépôts, pour administrer des médicamenis liquides ou gazeux ou pour réaliser des mélanges, Citons, parmi les applications classiques, le dépôt des colles et mastics dans l'industrie automobile, le dépôt contrôlé d'encre dans les industries de la gravure ou de l'impression, l'injection contrôlée de rEqctlts dans un réacteur chimique en ligne. II arrive que les produits à injecter soient chimiquement agressIfs, alent un degré de pureié tel qu'lls ne supportent aucun contact avec des mécanismes comportant des joints ou présentent des propriétés rhéologlques complexes. s Lorsque, de plus, les débits sont três faibles, il n'existe aucune méthode de mesure disponible susceptible d'être utilisée dans un contrôlecommande en temps réel. Ceci qui rend très difficile le dosage précis de tels fluldes, Les systèmes existants sont souvent manuels. C'était, Jusqu'd une clate récente le cas de l'application des colles dans l'industrie automobile. lls sont parfois accouplés à un robot, mais le réglage de l'installation se fÀit à partir de mesures régulières, effectuées manuellement par un opérateur, qui ne donnent qu'une IndicatIon du volume injecté pendant une pass. Dans ce type d'applications, il serait nécessaire, non seulement de contrôler le débit moyen, mais également de l'adapter b une commande extérieure el donc de rti'oiiser un véritable contrôle-commande des débits injectés en temps quasi réel. Une telle opération nécessite d'une part un moyen de mesure des débits et, d'autre part, un moyen d'action sur lesdits débits. La présente invention permet d'éviter la plupart des inconvénients des systèmes actuels Le fluide à injecter est, en général, contenu dans un réservoir pressurisé et s'écoule à partir dudit réservoir au iravers d'une perte de charge; La pressurlsation peut être réalisée parle fluide à doser lui même s'll est forcé dans le réservoir par un compresseur, une pompe ou un réservoir à haute pression ou par un second fluide plus facile à manipuler ou pouvant vitre stocké sous un niveau de pression important. Dans ce dernier cas, le fluide peut être un liquide ou un gaz. La présente invention consiste à placer en un point situé sur le circuit constitué du fluide ou de l'ensemble des fluides une ou plusieurs pertes de charge laminaires munies d'un capteur de pression différentiel qui permet de mesurer le débit volume en temps réel et de donner les informations nécessaires au réglage d'un actionneur destiné à faire varier la pression dans le réservoir du fluide à doser. De façon plus précise, selon l'invention, le dispositif de contrôle du débit se caractérise en de qu'il comprend: - un réservoir contenant le liquide à doser. - une arrivée du fluide propulseur dans ce réservoir, - une perte de charge laminaire en un point du circuit, munie d'un capteur de pression différentielle, destinée à mesurer le débit transité dans le circuit. - un actionneur permettant de régler la pression dans le réservoir au moyen d'une commande particulière, variation de vitesse d'une pompe ou ouverture d'une vanne par exemple. - Un automate de gestion peut être adapté à cet ensemble en vue de l'automatiser. En utilisant plusieurs pertes de charges de caractéristiques différentes placées en parallèle en un point donné du circuit et ouvertes successivement en fonction des besoins, on peut obtenir une gamme de débits très importante. L'appareil est alors un doseur quasi universel pour de très faibles débits. Ces objets, caractéristiques ou avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront mieux compris lors de la description détaillée d'exemples de réalisation qui va suivre, illustrée par les dessins annexés, parmi lesquels: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale montrant les pièces essentielles d'un mode de réalisation particulier d'un appareil pour engendrer un faible débit régulé dans lequel le fluide à injecter est un liquide, le fluide propulseur étant un gaz. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un mode particulier de réalisation d'un appareil selon l'invention dans lequel les éléments de perte de charge et les vannes de commande sont intégrés au couvercle du réservoir. La figure 3 donne un mode de réalisation de l'élément de perte de charge laminaire. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'encore un mode de réalisation d'un appareil selon l'invention, dans lequel le fluide à injecter est contenu dans un réservoir déformable lui même contenu dans le réservoir pressurisé. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un appareil pour créer un écoulement contrôlé de fluide de faible débit. Le liquide 1 dont on veut contrôler le débit est contenu dans un réservoir 3. Il est mis en pression au moyen d'un gaz 2 initialement contenu dans un réservoir à haute pression 4, puis détendu au travers d'un détendeur 5 et d'une perte de charge laminaire 7. Les tuyauteries 8 et 9 sont reliées au réservoir 3 et permettent d'admettre ou d'évacuer le gaz par ouverture des vannes tout ou rien 6 et 11. Afin de réduire le débit de gaz lors de ces opérations, chacune de ces tuyauteries est munie d'une perte de charge, 7 et 10, fonctionnant en régime laminaire. L'ouverture ou la fermeture de l'une ou l'autre des vannes 6 et 11 est commandée par l'automate 22 à partir de la connaissance du débit de liquide à doser et de la pression et de la température du fluide mesurées par les capteurs de pression 20 et de température 21. Le liquide à doser est, quant à lui, extrait du réservoir 3 au travers de la tuyauterie 12 qui alimente trois pertes de charge laminaires 14, 15, 16, disposées en parallèle de caractéristiques connues. Les lignes de fluide sur lesquelles sont placées ces pertes de charge sont munies de vannes tout ou rien 17,18,19. Le fluide est ensuite dirigé vers l'utilisation au travers de la tuyauterie 13. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant : Un ordre de débit est donné à l'automate 22 par un opérateur ou un calculateur. L'automate mesure la température du liquide grâce à la sonde de température 21. Il calcule la viscosité du fluide à partir de cette mesure de température. II en déduit par le calcul la perte de charge 14, 15 ou 16 à utiliser et la différence de pression à créer entre le réservoir 3 et la tuyauterie 13. Si la différence de pression mesurée au moyen du capteur 20 entre 3 et 13 est inférieure à cette valeur de consigne, la vanne 6 est ouverte, 1 1 étant fermée, ce qui a pour effet d'introduire du gaz dans le réservoir 3 et donc d'augmenter la pression. Dans le cas contraire, correspondant à une différence de pression trop importante, on ferme la vanne 6 et on ouvre la vanne 11. Le gaz s'échappe alors du réservoir 3 et la pression baisse. le contrôle de pression se fait donc par fermeture et ouverture intermittente de vannes tout ou rien sur le circuit de gaz. Une variante du procédé non représentée dans les dessins consiste à utiliser un système de régulation de pression traditionnel, mais la consommation de gaz est alors beaucoup plus importante. La figure 2 donne un mode de réalisation d'un doseur basé sur le principe décrit dans la figure précédente dans lequel les pertes de charge laminaires sont intégrées au couvercle de l'appareil. On retrouve les éléments décrits ci-dessus, le réservoir 3, les fluides 1 et 2 et le réservoir de gaz sous pression 4, les lignes de gaz 8 et 9 munies des pertes de charge laminaires 7 et 10 et des vannes tout ou rien 6 et 11. Les capteurs de pression et de température 20 et 21 sont connectés à l'automate 22 qui, à partir de la consigne de débit et des propriétés du fluide à doser, choisit l'une des lignes d'évacuation du débit de liquide au travers de l'une ou l'autre des pertes de charge laminaires 14, 15 ou 16 par ouverture de l'une ou l'autre des électrovannes 17, 18 ou 19. D'autre part, ledit automate 22 contrôle la pression dans le réservoir 3 en ouvrant ou fermant les vannes tout ou rien 6 et 1 1 des lignes de gaz. Dans ce mode de réalisation, les pertes de charge sont constituées de spirales de faible profondeur gravées dans des pastilles en forme de galettes dont un exemple est donné sur la figure 3. Ces gravures, mises en contact dans un lamage cylindrique constituent un passage de faible section dans lequel passe le fluide. II constitue donc un élément long et de faible diamètre susceptible de constituer une perte de charge laminaire. Dans l'exemple de la figure 2, ces galettes sont insérées entre des plaques 23, ce qui permet de réaliser un ensemble compact. Les pertes de charge 14, 15 et 16 sont sur un premier niveau de l'empilage. Les pertes de charge 7 et 10 sur le gaz sont à un second niveau. Les éléments supérieur et inférieur de la figure 2 sont respectivement une coupe au niveau des pastilles 14, 15 et 16 et une vue de dessus montrant la disposition des vannes tout ou rien. A titre d'exemple, nous donnons quelques indications chiffrées concernant la figure 2. Le réservoir 3 a une hauteur de 150 mm et un diamètre de 100 mm. II est rempli de 1 I du liquide à doser. Les éléments de perte de charge 14, 15 et 16 ont des diamètres hydrauliques D de 60, 100 et 170 microns et une longueur L de 1 m. La pression dans le réservoir est régulée au moyen des pertes de charge 7 et 10 et des vannes tout ou rien 6 et 1 1 dans une gamme comprise entre 1 et 10 bar. La viscosité dynamique nominale du liquide à doser est de 10-s Pa.s Le débit de liquide est donné par l'expression suivante: Q = ApD 40CLL La gamme des débits va donc de 3.2 11 l m3/s (2.8 cm3/j) pour le couple (1 bar, 60ci) à 2 10-8 m3/s (72 cm3/h) pour le couple (10 bar, 170 ). La dynamique en débit est donc d'environ 1000. On comprendra qu'il suffit de changer les pastilles 14, 15 et 16 pour modifier la gamme des débits ou l'adapter à un fluide de viscosité différente. La figure 3 donne une représentation en coupe longitudinale et vue de dessus de la perte de charge laminaire spirale 7, 10, 14, 15, 16 ou 35. Afin de faciliter la compréhension, les pièces 37 et 38 sont schématisées par deux pastilles cylindriques. Le fluide pénètre en 39 au travers de la pièce 37, alimente la spirale 40 dont on n'a représenté qu'un nombre limité de spires, puis quitte le sillon au travers de l'orifice 41. La demande de brevet français N"9013553 du 31/10/1990 décrit plus en détails la réalisation d'un tel canal capillaire. La demande de brevet PCT/FR 92/01075 décrit un autre mode de réalisation d'un canal à très faible section de passage par association d'un cylindre et d'un ressort hélicoïdal enroulé sur ledit cylindre. Un tel dispositif d'écoulement à très faible débit pourrait être substitué à celui qui est représenté sur la figures 3. La figure 4 donne une représentation d'un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, le fluide 1 à doser est contenu dans un réservoir déformable 28, lui même placé dans le réservoir 3. Le fluide moteur 2 est aspiré par une pompe 24, passe dans le réservoir 35 muni d'une membrane 26' permettant d'isoler le liquide contenu dans le compartiment 27 et le gaz contenu dans le compartiment 26. Ce petit réservoir permet de filtrer les éventuelles pulsations de pression de la pompe 24. La pression dans ce réservoir est régulée au moyen de la vanne 25, pilotée par l'automate 22. Le fonctionnement du système est le suivant : Le réservoir 3 est pressurisé à un niveau prédéterminé par calcul, de telle sorte que le débit s'écoulant à la buse 33 soit convenable au démarrage de l'opération de dosage. L'opérateur ou le robot ouvrent la vanne 32 qui permet au fluide 2 de s'écouler au travers de la buse d'injection 33 au débit souhaité. Les deux fluides 2 et 1 étant incompressibles, le débit de fluide 2 s'écoulant à la buse 33 est le même que celui de liquide 1 s'écoulant dans la perte de charge laminaire 36. Il suffit donc de mesurer au moyen du capteur de pression différentielle 20 la différence de pression aux bornes de cet élément de perte de charge pour en déduire le débit de fluide 1 qui passe dans le circuit, égal au débit de fluide 2 injecté. Cette mesure doit être complétée par une mesure de viscosité déduite de la mesure de température 21. Connaissant le débit souhaité, le débit réel, la différence de pression et la température, il est possible de commander la vanne 25 qui agit sur la pression dans 3 et donc sur le débit à la buse. Ce procédé permet d'effectuer une mesure de débit en utilisant un fluide 2 différent du fluide à doser 1, ledit fluide 2 ayant, de plus, une fonction de transmission de puissance. Ces exemples ne sont pas limitatifs du procédé qui s'applique à toute ligne en pression comportant un fluide moteur et un fluide à doser, sur laquelle est placée une perte de charge laminaire munie d'un capteur de pression différentielle permettant de mesurer le débit passant dans ladite ligne. REVENDICATIONS. 1. Dispositif pour doser de très faibles débits de fluide caractérisé en ce qu'il comprend: un réservoir (3) contenant le fluide (1) à doser et un fluide moteur (2) qui compense la perte de liquide (1) et permet de pressuriser ledit réservoir, un moyen (24,4) de pressurisation du fluide (2) un moyen (6, 7, 11, 10, 25) de régulation de la pression du fluide (2) en fonction des besoins en fluide à doser (1) une perte de charge laminaire (14, 15, 16, 36) sur le trajet de l'un ou l'autre des fluides permettant de déterminer le débit de fluide passant dans la ligne. des moyens (6, 11, 25) pour modifier la pression dans le réservoir (3) en fonction de la valeur du débit à doser et des caractéristiques physiques du fluide passant dans la perte de charge laminaire. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réservoir (3) contient un liquide à doser (1), qu'il est alimenté en gaz sous une pression régulée en fonction des indications de débit données par la mesure de pression différentielle aux bornes des pertes de charges laminaires (14, 15, 16). 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les pertes de charge (14, 15, 16) sont interchangeables en fonction de la valeur du débit souhaitée par ouverture ou fermeture de vannes tout ou rien (17, 18, 19). 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'alimentation en air (8) et la sortie d'air (7) sont assurées par des circuits comprenant une perte de charge laminaire et une vanne tout ou rien, la fréquence d'ouverture de l'une ou l'autre de ces vannes tout ou rien étant ajustée pour atteindre le niveau de pression souhaité dans le réservoir 3. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide (1) est contenu dans un réservoir déformable (28) inclus dans le réservoir pressurisé (3), et que le fluide moteur (2) est quasi incompressible, la mesure de débit se faisant sur la ligne d'alimentation du réservoir (3) en ledit liquide (2). 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la mesure de débit se fat au moyen d'une perte de charge laminaire (36) munie d'un capteur de pression différentielle (20), la température du fluide (2) étant si besoin mesurée au moyen d'un capteur de température (21). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les pertes de charge laminaires sont constituées d'un canal (37) résultant de la coopération entre un sillon spiral (38) creusé dans une pastille (39) et une seconde pastille plane (40). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le système est muni d'un calculateur (22) auquel est donné la consigne de débit et qui, à partir de la mesure de différence de pression (20) et de la température (21) détermine le débit réel et calcule l'action de régulation à faire effectuer par les organes spécialisés (6, 11, 25) pour modifier la pression dans le réservoir (3).