Brevet FR2768189A1 — publié le 19990312

La présente invention concerne un procédé et un système de pompage permettant d'obtenir un mélange de liquides à dosage et débit bien régulés. Elle concerne plus particulièrement un système de pompage réalisant le mixage de plusieurs liquides avec un dosage déterminé par mise en communication cyclique de différents récipients contenant les liquides à mélanger avec l'entrée d'une pompe, au moyen de vannes fonctionnant en tout-ou-rien. Un tel système de pompage à dosage et débits bien régulés peut être utilisé dans de nombreux domaines et notamment dans les systèmes de chromatographie. I - Art antérieur Différents types de pompe peuvent être utilisés pour faire circuler des mélanges liquides. On connaît par exemple les pompes à fonctionnement alternatif combinant généralement deux unités de pompage PU 1, PU2 (Fig.l). Chacune d'elles comprend un piston I coulissant dans un cylindre 2 communiquant par l'intermédiaire d'un clapet unidirectionnel 4 ouvrant en phase d'aspiration, avec une canalisation d'entrée 3 issue d'un premier T de distribution TI d'un liquide L. Les deux unités PUI, PU2 communiquent également par une canalisation de sortie 4 et par l'intermédiaire de clapets 6 ouvrant en phase de refoulement, avec un deuxième T de distribution T2. Les deux unités de pompage sont commandées en déphasage, de façon que la phase d'aspiration de l'une corresponde à la phase de refoulement de l'autre. La vitesse de chaque piston diminue en fin de course. Il en est de même par conséquent du débit qu'il refoule. Si l'on veut que le débit de refoulement global des deux unités PU1, PU2 soit sensiblement constant, il faut que la somme des vitesses des deux pistons 1 reste constante et donc que l'autre unité commence sa phase de refoulement avant que la première n'en aie fini. Durant la fraction de cycle o les deux unités refoulent en même temps, le débit d'aspiration est évidemment nul. Il est connu de réaliser le mélange des liquides en reliant l'entrée d'une pompe àa plusieurs récipients contenant les liquides à mélanger. par l'intermédiaire électrovannes ou de vannes à commande pneumatique par exemple. Comme le montre schématiquement la Fig.2' par exemple. on réalise dans une tête H. le mélange de plusieurs liquides issus de récipients RI, R2.., Rn par exemple. au moyen d'électrovannes EVI. EV2... ., Evn fonctionnant par tout ou rien. disposées à l'aspiration d'une pompe doseuse P d'un type connu pouvant comporter une ou plusieurs têtes, à piston ou à membrane. à débit constant ou pulsé. telle que par exemple. la pompe décrite dans le brevet FR 2. 726.332 des demandeurs. Les 0 électrovannes. sont ouvertes successivement avec une permutation cyclique et selon un facteur de forme qui détermine le pourcentage souhaité des mélanges des liquides sur commande d'un processeur de pilotage PC pour obtenir un dosage précis. Le mélange de liquides par aspiration alternée au moyen de vannes fonctionnant par tout ou rien. est un procédé économique car il ne nécessite qu'une seule pompe (à choisir parmi tous les types de pompe existant surI le marché). un assemblage d'éléments relativement peu coûteux et un moyen de contrôle des v'annes relativement simple. Mais. en contrepartie de ses avantages. il présente l'inconvénient de provoquer des variations sensibles de dosage ainsi que des variations importantes du débit pompé. Cela tient essentiellement à son principe de fonctionnement. Pour une bonne précision dans la réalisation des mélanges. il est nécessaire d'avoir une commutation rapide des électrovannes. Dans le cas pratique suivant o l'on utilise une pompe à came rotative faisant 60t/min à son débit maximal, avec un cycle de permutation des électrovannes qui dure 5s par exemple, et que l'on souhaite obtenir un mélange constitué de 1%o du liquide A dans le mélange A + B + C. la durée d'ouverture de électrovanne A doit être de 50 ms. Si l'on souhaite une précision de 1 7%, la durée de la somme des commutations, O (ouvert) + F (fermé), devra être très inférieur à 5 ms. soit commutation sont de l'ordre de I à 2 ms, tout au plus. Dans de telles conditions de fonctionnement. les débits entraînent des vitesses de liquides clans les tubes d'aspiration pouvant aller jusqu'à quelques mètres par secondc. La fermeture rapide de la vanne A entraîne l'arrêt brutal de la colonne de liquide qui y circulait par exemple à 2 m/s, ce qui provoque une surpression retardant sa fermeture et modifie le pourcentage souhaité du constituant dans le mélange. L'ouverture de électrovanne EV2 par exemple s'effectue par exemple en même temps que la fermeture de électrovanne EVI. A l'ouverture simultanée de électrovanne EV2, la colonne de liquide contenue dans le tube d'aspiration issu du récipient R2 qui était immobile jusque là doit prendre la même vitesse (2m/s) qu'avait la colonne de liquide issu du récipient RI, en un temps de l'ordre de 1 ms. On vérifie sans peine que la pression nécessaire pour obtenir une accélération suffisante est largement supérieure à la pression atmosphérique. Ceci étant impossible, il v a fatalement des cavitations importantes dans le liquide pompé et, par voie de 1 5 conséquence. des erreurs de pourcentage et de débit importants du système de pompage. Il s'ensuit que les pompes avec lesquelles est utilisé ce procédé de mixages de liquides, ont généralement un débit d'aspiration pulsé. La récurrence n'étant jamais synchrone avec la récurrence du système de mixage à électrovannes. on observe un phénomène de battement avec une variation cyclique du dosage du mélange résultant. Procédé et système selon l'invention Le procédé de pompage selon l'invention permet d'obtenir un mélange de plusieurs constituants avec un dosage précis de chacun d'eux, par mise en communication cyclique des récipients contenant les constituants avec l'entrée d'une pompe par l'intermédiaire de vannes. Il est caractérisé en ce qu'il comporte I'utilisation de moyens d'amortissement des variations cycliques de vitesse des constituants provoquées par l'ouverture et la fermeture des vannes. Comme moyens d'amortissement, on peut utiliser par exemple des volumes déformables dont le volume varie en relation avec les dites variations cycliques de la vitesse. Suivant un mode de réalisation préféré. on met l'entrée de la pompe en i communication avec une chambre de mixage des constituants, cette chambre de mixage étant reliée aux récipients par l'intermédiaire des vannes et des dits moyens d'amortissement. La méthode comporte par exemple l'utilisation de chambres auxiliaires disposées en amont de la chambre de mixage pourvue chacune d'une paroi io déformable soumise d'un côté à une pression constante et du côté opposé à la pression d'un constituant. Le système de pompage multi-constituants selon l'invention comporte une pompe et des vannes pour mettre cycliquement en communication l'entrée de la pompe avec des récipients contenant les constituants à mélanger. Il est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amortissement des variations cycliques de vitesse des constituants provoquées par l'ouverture et la fermeture des vannes. Le système de pompage comporte de préférence une chambre de mixage en communication avec l'entrée de la pompe et en communication intermittente avec les moyens d'amortissement par l'intermédiaire des vannes. Suivant un mode préféré de réalisation, les moyens d'amortissement comportent des chambres auxiliaires disposées en amont de la chambre de mixage. pourvues chacune d'une paroi déformable soumise d'un côté à une pression constante et du côté opposé, à la pression d'un constituant. Suivant un mode particulier de mise en oeuvre, la paroi déformable dans chaque chambre auxiliaire est celle d'un soufflet ouvrant sur l'extérieur. Les chambres auxiliaires et la chambre de mixage sont par exemple des chambres à l'intérieur d'un même corps rigide. Suivant un mode de réalisation, le système comporte des moyens de brassage du mélange à l'intérieur de la chambre de mixage, un moteur et des moyens de liaison (de type magnétique par exemple) pour connecter le moteur aux moyens de brassage. Suivant un mode de réalisation préféré, on met l'entrée de la pompe en communication avec une chambre de mixage des constituants, cette chambre de mixage étant reliée aux récipients par l'intermédiaire des vannes et des dits moyens d'amortissement. On peut utiliser une chambre de mixage a volume variable, le système comportant des moyens pour modifier le volume de cette chambre en fonction du débit pompé et aussi des moyens d'équilibrage de la pression statique des constituants à mélanger. Les moyens d'amortissement des variations de vitesse de chaque constituant peuvent encore comporter une chambre de compensation à volume variable et un processeur pour faire varier le volume de chaque chambre de compensation en fonction d'au moins un paramètre affectant la vitesse de chacun des constituants. Les vannes sont de préférence des électrovannes fonctionnant en tout-ourien, le système comportant un processeur pour former des signaux de commande respectifs de ces électrovannes. De préférence la pompe comporte des moyens de régularisation du débit à l'aspiration. Elle comporte par exemple deux unités de pompage à pistons alternatifs déphasés l'un par rapport à l'autre, communiquant chacun pendant la phase d'aspiration avec la chambre de mixage, ces pistons étant commandés par des moyens d'entraînement associés à un processeur. La pompe comporte de préférence une troisième unité de pompage à piston alternatif, le moyen de pilotage étant adapté à maintenir constante durant la phase d'aspiration, la somme des vitesses respectives des trois pistons. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation. en se rétérant aux dessins annexés o: - la Fig. I montre schématiquement un agencement connu de pompe à deux unités de pompage alternatives dont le débit à l'aspiration présente des pulsations: - la Fig.2 montre schématiquement un système de pompage d'un type connu pour mélanger des constituants par mise en communication cyclique de récipients contenant les constituants à mélanger, par l'intermédiaire de vannes: avec une tête de mixage reliée à l'entrée d'une pompe; 0 - la Fig.3 montre un mode préféré de réalisation du dispositif mélangeur selon l'invention; - les Fi.4, 5 montrent deux modes de commande de pompes alternatives: - la Fig.6 montre schématiquement la combinaison du dispositif mélangeur de la Fig.3 avec une pompe selon l'invention pour obtenir des débits régulés aussi bien 15.à l'aspiration qu'au refoulement; - la Fig.7 montre la variation linéaire sur un intervalle de temps de 20 mn du taux d'une substance dans un mélange d'un premier constituant et d'un deuxième constituant contenant cette substance quand on change graduellement les temps d'ouverture respectifs des électrovannes du mélangeur de la Fig.3. l'un augmentant, l'autre diminuant de façon concomitante; et - la Fig.8 montre une variante du mode de réalisation de la Fig.6 comportant un bloc d'injection directe de mélange dans la pompe. Le système de pompage selon l'invention comporte (Fig.2) un dispositif MX de mixage d'un nombre n de composants disposé en amont d'une pomnpe P. Dans l'exemple qui sera décrit ci-après. le nombre n est réduit à deux pour la simplicité de la description. Dispositif de mixage Le dispositif de mixage MX (Fig.3) comporte, de préférence dans un même corps 7, n (n=2, ici) préchambres SA, SB en amont d'une chambre de mixage 9. La communication entre chaque préchambre et la chambre de mixage 9 est rendue intermittente par une électrovanne respectivement EVA (représentée ouverte) et EVB (représentée fermée) fonctionnant en tout-ou-rien. Les deux préchambres SA, SB sont en communication permanente par des canalisations 10A, O10B, avec des récipients RA, RB contenant les constituants liquides à mélanger. Chaque préchambre SA, 8B contient un moyen d'amortissement 1 A, li B des accélérations et décélérations imposées aux liquides du fait de l'ouverture et la fermeture intermittente des électrovannes EVI, EV2 ici constitué d'un volume extensible dont le volume varie en relation avec les dites variations cycliques de la vitesse. On peut utiliser par exemple un soufflet dont la surface extérieure est en contact avec le liquide dans chaque préchambre et dont l'intérieur est en communication avec l'extérieur du corps 7. Un moyen d'homogénéisation tel qu'une palette tournante 12, est disposé dans la chambre de mixage. On utilise de préférence une palette aimantée que l'on entraîne en rotation sans contact depuis l'extérieur de la chambre 9 au moyen d'un disque 13 tournant portant des aimants 14, lequel disque est couplé à un moteur 15. La présence de ces soufflets dans les préchambres, a pour effet de réduire considérablement les effets indésirables des brusques variations de débit des constituants. L'augmentation de pression dans la préchambre 8B par exemple. résultant de la fermeture de électrovanne correspondante EVB, est automatiquement compensée par une contraction du soufflet I B. Au contraire, la diminution de la pression dans la préchambre SA par exemple, résultant de l'ouverture de électrovanne correspondante EVA, est automatiquement compensée par une dilatation du soufflet 1 1A. La régularisation du fonctionnement est encore améliorée si l'on dispose les mnovens d'amortissement le plus près possible de la chambre de mixage. En disposant les volumes déformables élastiquement 1 1 A. 1 1 B le plus près possible en amont des électrovannes et ces mêmes électrovannes le plus près possible de la pompe P ou de la chambre de mixage 9, on diminue la masse du liquide à mettre en mouvement lors de l'ouverture des électrovannes. Ce volume élastique doit être calculé pour qu'il absorbe les accélérations de telle sorte que la pression négative créée soit suffisamment faible pour ne pas provoquer une cavitation dans les liquides pompés et ne pas modifier le temps d'ouverture et de fermeture des électrovannes. Le dispositif de mixage précédent peut être disposé en amont d'une grande variété de pompes P différentes, que leur débit d'aspiration soit ou non régulier, mais de préférence en amont du dispositif de pompage ci-après décrit. Dispositif de pompage Le dispositif de pompage selon l'invention comporte des unités de pompage à fonctionnement alternatif avec chacune une phase d'aspiration du mélange liquide et une phase de refoulement. Comme déjà décrit dans la demande de brevet précitée, chaque module de pompage comporte (Fig.4, 5) une tige 1 formant piston, engagée partiellement dans la cavité intérieure d'un corps de pompe 2. La tige I est pourvue d'une têtel6. Un 2o ressort 17 est disposé entre elle et l'extrémité du corps, de façon à exercer sur le piston une force d'extraction permanente. A son extrémité opposée. la cavité intérieure du corps I communique avec un conduit 18 pourvu d'un clapet unidirectionnel 19A tel qu'un clapet à bille par exemple. s'ouvrant durant la phase d'aspiration o la tige 1 recule, et d'un autre clapet 19B analogue s'ouvrant durant la phase de refoulement. Suivant un premier mode de réalisation (Fig.4), l'enfoncement plus ou moins grand de la tige 1 dans le corps 2, est assuré par la translation d'une vis sans fin 20 en appui sur la tête 16 par l'intermédiaire d'un clapet de retenue 21. Les movens de translation de la vis comportent par exemple un écrou 22 adapté a la vis 20. qui est logé par exemple dans le rotor creux d'un moteur électrique '23 fixe et entraîné par lui en rotation. On change le sens de translation de la vis en intervertissant le sens de rotation du moteur à chaque demi-cycle de pompage. D5 Suivant un deuxième mode de réalisation (Fig.5), l'enfoncement plus ou moins grand de la tige I dans le corps 2, est assuré par la rotation d'une came 24 en appui contre la tête 16, dont l'axe 25 est entraîné en rotation par un moteur 26. L'enfoncement plus ou moins grand de la tige 1 dans la cavité intérieure du corps 1. est obtenu en changeant l'excentrement A de la came sur son axe. L'entraînement du o moteur 26 est commandé par un calculateur de pilotage PC. Le dispositif de pompage selon l'invention est perfectionné par rapport au mode de réalisation connu de la Fig.l de facon à obtenir à la fois un débit constant aussi bien à l'aspiration qu'au refoulement. Ce résultat est obtenu (Fig.6) par l'utilisation d'une troisième unité de pompage alternatif PU3 analogue aux précédentes. Cette troisième unité PU3 est en communication permanente avec la sortie du dispositif de mixage MX par une canalisation 27. Les unités PU1 et PU2 sont alimentées par le liquide refoulé par la troisième unité PU3 au travers de clapets unidirectionnels 28. Les volumes liquides sont refoulés par les deux unités PUI, PU2 vers un T de distribution 29, comme précédemment, au travers de clapets unidirectionnels 30. La régularisation recherchée du débit également à l'aspiration est obtenue en ajustant en permanence la vitesse de déplacement du piston I dans la troisième unité PU3 et son déphasage par rapport aux pistons des deux unités PU1, PU2, de façon que la somme des vitesses des trois pistons soit constante, durant la phase d'aspiration. Avec la combinaison décrite du dispositif de mixage et de la pompe ainsi régulée, lorsque le facteur de forme du signal de commande des électrovannes dosant les différents liquides, varie en fonction du mélange escompté, la précision obtenue dans le dosage et le débit d'un mélange est excellente, comme on le voit clairement sur la Fig.7. Il en est de même du débit du mélange qui est reproductible, quel que soit le facteur de forme des signaux commandant les différentes électrovannes. La Fig.7 illustre la parfaite linéarité de la variation du taux d'une substance mêlée à l'un des constituants liquides d'un mélange lorsque l'on fait varier à somme des temps d'ouverture constante, les temps d'ouverture respectifs de deux électrovannes d'un dispositif de mixage selon l'invention. Suivant le mode de réalisation de la Fig.8, convenant pour certaines applications, on intercale sur le circuit 27 entre le dispositif de mixage MX et la pompe P. un injecteur 31 permettant la connexion intermittente d'un canal adjacent 32 relié à un réservoir RE contenant un mélange. Cet injecteur comporte une électrovanne EVC également commandée par le calculateur PC. Un clapet de retenue 33 unidirectionnel de type à bille et ressort par exemple. est interposé sur le circuit 27. Durant la phase d'injection de mélange par le canal adjacent 32, on maintient fermées les EVA, EVB du dispositif de mixage MX et on ouvre l'électrovanne EVC. Le clapet 33 interdit la diffusion du mélange injecté vers le dispositif de mixage MX. A la reprise des opérations d'aspiration du mélange issu du dispositif de MX. on est ainsi assuré de retrouver sans aucun effet de trainage, les taux prédéfinis des constituants mélangés. :0 D'autres modes de réalisation peuvent être utilisés dans sortir du cadre de l'invention. a) On peut utiliser par exemple une chambre de mixage à volume variable dont on ajuste le volume en fonction du débit pompé. b) On peut aussi des moyens d'un type connu permettant d'appliquer aux souftflets sur leur face extérieure aux préchambres 8A, SB une contrepression constante mais ajustable en fonction de la pression des constituants admis dans le mélangeur MX. Il c) On a décrit un mode de réalisation préféré o l'on régularise les variations de la vitesse des constituants par compensation des variations de pression résultantes dans les deux préchambres SA, 8B. 1l est cependant possible d'utiliser un autre moyen de régulation. On peut remplacer par exemple chaque soufflet par une chambre de compensation à volume variable dont le volume est ajusté en permanence par un processeur programrmé pour faire varier le volume de chaque chambre de compensation en fonction d'au moins un paramètre affectant la vitesse de chacun des constituants. Le processeur peut être programmé par exemple pour que l'accélération appliquée aux constituants respecte un certain profil de variation I prédéfini. REVENDICATIONS 1) Procédé de pompage pour obtenir un mélange de plusieurs constituants liquides avec un dosage précis de chacun d'eux, par mise en communication cyclique des récipients (RA. RB) contenant les constituants avec l'entrée d'une pompe (P) par l'intermédiaire de vannes (EVA, EVB), caractérisé en ce qu'il comporte l'utilisation de moyens d'amortissement des variations cycliques de vitesse des constituants provoquées par l'ouverture et la fermeture des vannes. 2) Procédé de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise comme moyens d'amortissement, des volumes déformables (1 I A, 1 1 B) dont le 1(0 volume varie en relation avec les dites variations cycliques de la vitesse. 3) Procédé de pompage selon la revendication I ou 2. caractérisé en ce que l'on met l'entrée de la pompe en communication avec une chambre (9) de mixage des constituants, cette chambre de mixage étant reliée aux récipients par l'intermédiaire des vannes et des dits moyens d'amortissement. A5 4) Procédé de pompage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte l'utilisation de chambres auxiliaires (8A, SB) disposées en amont de la chambre de mixage (9) pourvues chacune d'une paroi déformable (W) soumise d'un côté à une pression constante et, du côté opposé, à la pression d'un constituant. ) Système de pompage pour obtenir un mélange de plusieurs constituants liquides avec un dosage précis de chacun d'eux, comportant une pompe (P) et des vannes (EVA, EVB) pour mettre cycliquement en communication l'entrée de la pompe avec des récipients (RA, RB) contenant les constituants à mélanger. caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amortissement (1 A, I lB) des variations cycliques de vitesse des constituants provoquées par l'ouverture et la fermeture des vannes. 6) Système de pompage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de mixage (9) en communication avec l'entrée de la pompe (P) et en communication intermittente avec les moyens d'amortissement par l'intermédiaire des vannes (EVA, EVB). 7) Système de pompage selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les movens d'amortissement (1l1A, 1 lIB) sont placés dans des chambres auxiliaires (SA. 8B) disposées en amont de la chambre de mixage (9), pourvues chacune d'une paroi déformable (W) soumise d'un côté à une pression constante et du côté opposé. à la pression d'un constituant. 8) Système de pompage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi déformable (W) dans chaque chambre auxiliaire (SA. 8B) est la paroi d'un o soufflet ouvrant sur l'extérieur. 9) Système de pompage selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les chambres auxiliaires (8A. 8B) et la chambre de mixage (9) sont des chambres à l'intérieur d'un même corps rigide (7). ) Système de pompage selon l'une des revendications 6 à 9. caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12) de brassage du mélange à l'intérieur de la chambre de mixage (9), un moteur (15) et des moyens d'entraînement (13. 14) pour connecter le moteur aux moyens de brassage. 1) Système de pompage selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement sont de type magnétique. 12) Système de pompage selon l'une des revendications 5 à 11. caractérisé en ce que les vannes (EVA, EVB) sont des électrovannes fonctionnant par tout-ou-rien, le système comportant des moyens de pilotage (PC) pour former les signaux de commande respectifs des électrovannes. 13) Système de pompage selon l'une des revendications 5 à 12. caractérisé en ce que la pompe (P) comporte des moyens pour régulariser le débit à l'aspiration. 14) Système de pompage selon la revendication 6 à 12, caractérisé en ce que la pompe (P) comporte deux unités de pompage (PU1, PU2) à pistons alternatifs avec chacune une phase d'aspiration et une phase de refoulement, déphasées l'une par rapport à l'autre, communiquant chacune pendant une phase d'aspiration avec la chambre de mixage (9), et des moyens (20-26) d'entraînement des deux pompes en déphasage l'une par rapport à l'autre, associés à un processeur (PC), adapté maintenir constante la somme des vitesses respectives des deux pistons. ) Système de pompage selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième unité (PU3) de pompage à piston alternatif, les dits moyens d'entrainement (20-26) étant associés à un processeur (PC), adaptés à maintenir constante la somme des vitesses des trois pistons de façon à maintenir constant le débit à l'aspiration de la pompe. 16) Système de pompage selon l'une des revendications 6 à 15, caractérisé en ce que la chambre de mixage (9) a un volume variable, le système comportant des moyens tel qu'un piston déplaçable, pour modifier le volume de cette chambre en fonction du débit pompé. 17) Système de pompage selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'équilibrage de la pression statique des constituants à mélanger. 18) Système de pompage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'amortissement des variations de vitesse de chaque constituant comporte une chambre de compensation à volume variable et un processeur (PC), pour faire varier le volume de chaque chambre de compensation en fonction d'au moins un paramètre affectant la vitesse de chacun des constituants. 19) Système de pompage selon l'une des revendications 5 à 18, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (31-33) d'injection intermittente d'un autre mélange dans la pompe (P).