Brevet FR2950966A1 — publié le 20110408

L'invention concerne un appareil régulateur de gaz à détente et à clapet d'obturation de la voie d'écoulement du gaz, du type comprenant un dispositif clapet et un dispositif siège, mobiles l'un par rapport à l'autre, entre une position d'obturation de la voie d'écoulement de gaz entre un orifice d'entrée et un orifice de sortie et une position d'ouverture de cette voie. Des appareils de ce type sont déjà connus. Or, il s'est avéré qu'il pourrait être souhaitable de connaître également la densité du gaz qui s'écoule à travers l'appareil, et ceci encore plus lorsque l'appareil accomplit aussi la fonction d'un débitmètre. L'invention a pour but de proposer un appareil qui est en mesure d'établir et d'indiquer la densité ou la 15 masse volumétrique normale du gaz. Pour atteindre ce but, l'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une capacité de chargement et de déchargement du gaz à travers un organe ayant une voie d'écoulement subsonique à section calibrée 20 réduite, qui est montée de façon à pouvoir communiquer alternativement avec une zone en amont et une zone en aval d'un organe de clapet. Selon une caractéristique de l'invention, l'appareil est caractérisé en ce que, dans le cas d'un clapet unique, 25 les zones en amont et en aval précitées sont des zones en amont et en aval de ce clapet. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'appareil est caractérisé en ce que, dans le cas d'un dispositif à double clapet, avec un espace intermédiaire 30 entre les deux organes clapet, les zones en amont et en aval précitées sont des zones en amont du premier organe clapet et l'espace intermédiaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'appareil est caractérisé en ce que, dans le cas d'un 35 dispositif à double clapet, les zones amont et en aval précitées sont des zones situées en amont du premier organe clapet et en aval du deuxième organe clapet. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'appareil est caractérisé en ce que l'agencement densimètre est susceptible de comporte une électrovanne adaptée pour assurer le chargement et le déchargement de la capacité en fonction du fonctionnement de l'appareil. Selon une l'appareil est microcontrôleur, autre caractéristique de l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend un programmé pour assurer l'établissement de la densité ou masse volumique par intégration de la courbe la pression en fonction du temps dans la une pression initiale et une pression autre caractéristique de l'invention, caractérisé en ce que la capacité est 15 intégrée à l'appareil de façon à former avantageusement un bloc compact. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description 20 explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un régulateur 25 débitmètre destiné à établir la masse volumétrique normale selon une première version d'un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 mais montre une deuxième version du premier mode de 30 réalisation selon l'invention ; - la figure 3A est une vue schématique d'un régulateur débitmètre de gaz, équipé de moyens d'établissement de la masse volumétrique normale du gaz, qui utilisent un double clapet ; 35 - la figure 3B montre le dispositif double clapet à plus grande échelle ; de variation de capacité entre finale. Selon une l'appareil est10 - la figure 3C montre plusieurs courbes caractéristiques liées au dispositif double clapet ; - la figure 4 est une vue schématique d'une autre version de réalisation de l'appareil selon la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique d'une autre version du deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique d'encore une autre version du deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue schématique d'encore une autre version du deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue en coupe partielle selon la ligne VIII-VIII de la figure 9, qui illustre l'électrovanne 15 de l'appareil ; - la figure 9 est une vue en coupe partielle destinée à montrée l'électrovanne ; et - la figure 10 illustre, sous forme de courbes, l'évolution de la pression interne de la capacité en 20 fonction du temps, lors d'une décharge de la capacité, la pression finale Pf étant la pression finale lorsque le débit de l'écoulement de gaz sortant est devenu nul, pour plusieurs gaz différents. L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, 25 dans son application à un premier appareil régulateur et débitmètre équipé d'un dispositif clapet d'obturation unique et un dispositif pourvu d'un double clapet d'obturation, tel que décrit dans la demande de brevet EP 06 290 803. 30 La figure 1 montre le schéma de principe d'un appareil à clapet d'obturation unique. La référence 1 désigne de façon générale le corps du détendeur, qui est subdivisé par une membrane 2 en une chapelle 3 et en une chambre 4 de détente. Cette chambre comporte un conduit de 35 gaz 5 dans lequel est monté un dispositif obturateur 6 disposé entre une entrée de gaz 7 et une sortie de gaz 8. Le dispositif obturateur 6 en forme d'un clapet d'obturateur unique est déplaçable entre une position d'obturation d'un siège 9 et une position de dégagement de ce dernier, sous l'effet d'une tringlerie 10 reliée à la membrane 2, de façon que le déplacement de la membrane entraîne le déplacement du clapet 6. La chapelle 3 loge un ressort 11 qui est interposé entre le corps 1 et la membrane 2. Le dispositif 6 est formé par un corps de clapet unique 12 comportant une partie cylindrique 13 d'une longueur prédéterminée et, de part et d'autre de cette partie 13, respectivement un élargissement annulaire d'obturation 14 et une partie tronconique 15 dont le diamètre diminue en direction de l'extrémité. A une certaine distance axiale, cette extrémité est reliée à celle-ci par un élément en forme d'une tige 16 est prévu un organe en forme d'un disque obturateur de sécurité 17. Ce clapet 12 est axialement déplaçable dans un orifice cylindrique de gicleur 19 d'un diamètre supérieur à celui de la partie cylindrique 13 du clapet de façon à laisser subsister entre cette partie 13 et l'orifice de gicleur 19 un espace annulaire 20. Dans l'exemple représenté, le gicleur en forme d'une restriction annulaire cylindrique du conduit d'entrée est monté fixe et le clapet est mobile, mais il est également envisageable que le gicleur soit mobile et le clapet fixe, le déplacement relatif entre les deux organes étant produit par la tringlerie 10, de façon correspondant à la figure 1. La particularité de l'invention réside dans l'agencement d'établissement de la densité ou de la masse volumétrique normale du gaz destiné à s'écouler à travers l'appareil entre l'entrée et la sortie de celui-ci. Cet agencement noté 22 comporte essentiellement une capacité 24 d'un volume constant prédéterminé, qui communique par un orifice 25 et une conduite 26 avec une zone située en amont du clapet. Un dispositif à orifice calibré réduit 28 est monté dans la conduite 26. La capacité 24 est également en communication, à travers son orifice 25, avec une zone 29 en aval du clapet. La communication de la capacité 24 avec la zone 27 en amont et 29 en aval du clapet se fait, de façon alternative, par l'intermédiaire d'une électrovanne 31 du type à deux voies / trois orifices (2 / 3). La pression à l'intérieur de la capacité 24 est mesurée à l'aide d'un capteur 33 qui mesure également la température. Le fonctionnement de l'agencement densimètre 22, pour établir la masse volumétrique normale, exploite la variation de la masse du gaz à l'intérieur de la capacité. Le temps de l'écoulement du gaz entre ces deux états est mesuré. On pourrait exploiter soit l'écoulement du gaz lors d'un chargement de la capacité, soit l'écoulement lors d'une décharge de celle-ci. La figure 10 illustre l'évolution de la pression interne Pi en fonction du temps lors d'un déchargement. En se référant à la figure 10, la pression initiale Pi est fixée au préalable lors d'un étalonnage. La pression finale Pf est la pression à l'intérieur de la capacité lorsque l'écoulement de gaz à travers l'orifice de sortie est nul. La variation de la masse du gaz à l'intérieur de la capacité obéit à des lois physiques, en fonction des conditions thermodynamiques. La formule I qui suit exprime la relation entre la variation de la masse : Tn [dm ]P l = Vc * (pi - Pf ) * pn * Pn * Tc dans laquelle m est la masse du gaz dans la capacité ; Vc est le volume de la capacité ; P1 et Pf sont les pressions initiale et finales, pn est la masse volumique normale, Tn est la température normale (273°K) ; Pn est la pression normale (1 013,25 mbar) ; Tc est la température à l'intérieur de la capacité. La variation de la masse peut aussi être écrite par 35 la formule II qui suit. I [dm]P~ _ froc*pc*S*dt 6 II tl 1'127g * dans laquelle o est la vitesse à l'amont de l'orifice calibré, S est la surface de la restriction ; pc la masse volumétrique aux conditions thermodynamiques régnant dans la capacité. Pour un écoulement subsonique et adiabatique, on obtient pour la masse volumique normale pn l'expression III qui suit Pn*Tc*S* 1 * Tn Vc * (Pl ù Pf) y tPf * Pc* yù1 tPl 2 (Pf/Pc) y ù(Pf/Pc)y+ly *dt III dans laquelle est le coefficient de perte de charge de la restriction, y est le coefficient isentropique du gaz et Tc et Tn sont les températures dans la capacité et la température normale. En équipant l'appareil d'un dispositif calculateur suffisamment puissant, il serait possible de calculer la masse volumique à partir de cette expression. Or, la complexité de celle-ci nécessiterait une grande puissance de calcul et une source d'énergie importante puisque la masse volumique doit être établie régulièrement lors du fonctionnement de l'appareil, à des intervalles réguliers. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, il s'est avéré qu'en simplifiant la formule, un microcontrôleur que l'on utilise pour les autres opérations de calcul de l'appareil est en mesure de répondre aux exigences des capacités de calcul et de la consommation d'énergie électrique. La formule IV qui suit s'est avérée être une très bonne approximation de la valeur de la masse volumique à déterminer. Cette formule n'a été donnée qu'à titre d'exemple et toute autre formule appropriée pourrait être utilisée. tPf (Pc - Pf )gaz * At tPi tPf 1 (Pc - Pf )zir *At tP l IV Densité * Dans cette formule, la densité est égale au rapport de la masse volumique du gaz pgaz pour lequel la masse doit être déterminée et de la valeur pair pour l'air qui est connue. Des essais réalisés pour trois gaz de densité et de masse volumiques distinctes et de coefficients isentropiques distincts : - Air sec : densité 1 ; y = 1,4, - Propane : densité 1,5622 ; y = 113, - Butane : densité 2,0672 ; y = 1,11, - Azote : densité 0,9672 ; y = 1,4, confirment pour une capacité de l'ordre de 70 cm3 et une restriction délivrant 22 1/h d'air sec pour une pression absolue dans la capacité de 1,3 bar aux conditions de 293°K er 1013 bar et pour une pression finale Pf voisine de la pression atmosphérique, la formule qui précède. Les termes : et vair * (yair - 1) ygaz * (ygaz -1)tPf 1 (Pc - Pf )zir * At tP l tPf (Pc - Pf )gaz *At tP 1 sont obtenus en intégrant la différence de pression entre la pression Pc de la capacité à l'instant tPc et la pression finale à l'aval de la restriction quasi constante Pf pour le temps s'écoulant entre le temps tP1c correspondant à une pression initiale P1 dans la capacité et celui tPf où la pression Pc dans la capacité est égale la pression Pf à l'aval de la restriction. La valeur yair * (yair - 1) tPf (Pc - Pf )ezir * At tP l sera étalonnée lors d'une opération d'étalonnage, avec de l'air sec, éventuellement avec de l'azote en apportant la correction de densité correspondante. Ce résultat sera multiplié par un facteur de correction sous forme d'une fonction polynomiale de la pression Pf relevée sous la forme yair * (yair - 1)tPf (Pc-Pf)zir*At tP l *f(Pf) Le principe utilisé est celui de l'effusiomètre de SCHILLING utilisé pour l'étalonnage des masses volumique des gaz, ou la viscosité dans la restriction est considérée comme constante. La demande de brevet WO 99/02964 décrit une invention utilisant une tuyère sonique (restriction). Comme cela a déjà été indiqué plus haut, la particularité majeure de l'invention réside dans le fait que l'agencement densimètre 22 est incorporé à l'appareil régulateur et, le cas échéant, débitmètre, en utilisant comme pressions initiale et finale des pressions qui règnent en amont et en aval du dispositif clapet. Les figures 1 et 2 illustrent l'application de l'invention à un appareil pourvu d'un dispositif à clapet unique. Les figures 3 à 9 montrent l'application de l'invention à un appareil à double clapet tel que décrit également dans la demande de brevet EP 06 290 803. Comme on le voit par exemple sur la figure 3A, le dispositif de clapet, dans ce mode de réalisation, comporte deux corps de clapet, comme cela est montré plus en détails à la figure 3B. Chaque corps de clapet présente la configuration générale du clapet 12 selon la figure 1 et coopère avec un gicleur ayant la configuration du gicleur 19 de cette même figure 1. Les deux organes de clapet sont désignés par les références 12, 12' et les gicleurs par les références 19 et 19'. Le dispositif à deux clapets monté en tandem, selon la figure 3B ne comporte cependant qu'un élargissement annulaire d'obturation, qui est prévu sur le corps 12' et porte la référence 14'. Bien entendu, on pourrait également envisager de disposer l'obturateur sur le premier corps 12. La figure 3C, par les trois courbes Para, Pr' Pav illustre le fonctionnement spécifique du régulateur selon la figure 3, qui sont déterminées par le dispositif double clapet. Les courbes Para, P, Pav montrent respectivement la pression en amont du clapet amont 12, la pression entre les deux clapets amont 12 et aval 12' et la pression en aval du clapet aval 12', la pression P étant indiquée sur l'axe d'ordonnées en mbar à gauche, tandis que le déplacement axial du dispositif clapet est indiqué en mm sur l'axe d'ordonnées à droite. Sur la figure 3B, l'espace entre les deux corps de clapet 12 et 12' porte la référence 35. Dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, l'agencement de densimètre 22 peut comporter en plus du capteur de pression et de température aval 33 un capteur de pression en amont et de la température amont 37. La capacité 24 est connectée à l'espace 35 entre le premier clapet 12 et le deuxième clapet 12', par l'intermédiaire du dispositif à orifice calibré réduit 28. A la fermeture du deuxième clapet 12', à débit nul, la pression entre les deux clapets est égale à la pression amont. La capacité se remplit donc au travers du dispositif à restriction 28. A la remise du débit, la pression chute et la capacité se vide au travers du dispositif 28. L'évolution de la pression en fonction du temps, à l'intérieur de la capacité 24 est relevée au moyen du capteur de pression aval 33. Le capteur de pression amont 37 n'est pas connecté à la capacité. La pression de la capacité 24 étant établie à la pression régnant entre les deux clapets, le débit est alors calculé de la manière décrite dans la demande de brevet EP 06 290 803. Le dispositif densimètre selon la figure 3A nécessite un fonctionnement cyclique de l'installation avec mises en débit et arrêt successives, comme cela est par exemple connu pour les installations de type chaudières. La mesure de la densité est effectuée lors de chaque cycle, ce qui permet de réactualiser la valeur établie à un cycle lors du cycle prochain. En ce qui concerne l'établissement de la densité ou masse volumique normale pn, la capacité se vide au travers du dispositif à restriction 28. Le microcontrôleur calcule alors l'aire de la courbe de la pression Pc en fonction du temps selon la figure 10 entre le temps Tl où la pression Pc est égale à une valeur prédéfinie Pl et un temps tf auquel la pression Pc dont la capacité 24 est stabilisée et égale à Pf finale. Il s'agit d'une opération d'intégration exprimée par le terme tPf (Pc - Pf )gaz *At tP l. Ce résultat sera multiplié par le rapport Ygaz , fonction du coefficient (ygaz -1) isentropique ygaz et un facteur de correction sous forme d'une fonction polynomiale de la pression Pf relevée. Le résultat ygaz * (ygaz -1) tPf (Pc - Pf )gaz *At tP l *f(Pf)25 sera comparé à la valeur étalonnée yair * (yair - 1)tPf (Pc-Pf)zir*4t tP l * f(pf ) pour l'air ou l'azote dans le cas de l'étalonnage sous azote. La densité du gaz peut être alors calculée par le microcontrôleur pour le calcul du débit volumique aux conditions normales (Tn 273,15°K et Pn 1013,25 mbar), et / ou du débit massique du gaz. La figure 4 montre l'agencement débitmètre pour une installation à fonctionnement continu, comme par exemple des fours. La connexion de la capacité 24 à la zone d'amont 27, c'est-à-dire en amont du premier clapet 12, se fait par l'intermédiaire d'une électrovanne 38 du type à une voie, deux orifices (1/2), à moteur pas-à-pas ou à courant continu ou du type micro-électrovanne. La capacité 24 comporte un deuxième orifice 39 par lequel elle est reliée, par l'intermédiaire du dispositif à restriction 28, à l'espace 35 situé entre les deux clapets 12, 12'. La capacité se remplit alors par un chemin distinct de celui du dispositif à restriction 28, dès la fermeture de l'électrovanne. La capacité étant en permanence connectée à l'espace intermédiaire 35, elle se vide toujours au travers de la restriction 28. L'évolution de la pression en fonction du temps à l'intérieur de la capacité est relevée au moyen du capteur de pression aval 33. Le capteur de pression à l'amont 37 n'est pas connecté à la capacité. Cette solution permet de gérer à l'aide du microcontrôleur associé des mesures du débit les cycles de mesures de la densité, en réactualisant de façon régulière la valeur de la masse volumique. Dans le cas d'une stabilité de la densité, la période de mesure de densité pourrait être augmentée en vue de l'économie de l'énergie de la source d'énergie électrique. La référence 43 désigne un capteur du déplacement du dispositif clapet. Le volume de gaz utilisé pendant le cycle de mesure de densité n'est pas comptabilisé, mais corrigé en fonction du débit moyen du dispositif à restriction 28. La figure 5 montre également l'agencement densimètre pour des installations à feu continu, par exemple, des fours. La capacité 24 est reliée à la zone 27 en amont du premier clapet 12 et à l'espace intermédiaire 35 par l'intermédiaire d'une électrovanne du type 2/3, à électro-aimant, moteur pas-à-pas ou à courant continu ou du type micro-électrovanne. La connexion à l'espace intermédiaire 35 se fait par l'intermédiaire du dispositif à restriction 28, un capteur de pression et de température aval 42 étant connecté entre le dispositif 28 et l'espace 35. Lors de l'ouverture de l'électrovanne, la capacité 24 se remplit en étant connectée par l'électrovanne à la zone amont 27. A la fermeture de l'électrovanne, la capacité est connectée à l'espace intermédiaire 35 par le dispositif à restriction 28. La capacité se vide alors au travers de ce dispositif 28. La figure 6 illustre également un appareil selon l'invention, équipé d'un agencement densimètre pour des installations à feu continu, par exemple des fours. La particularité de cet agencement réside dans le fait que la conduite 26 de remplissage de la capacité connecte l'orifice 25, par l'intermédiaire d'une électrovanne 40 du type 2/3 à l'espace intermédiaire 35 entre les deux clapets 12 et 12', d'une part et, d'autre part, également par l'intermédiaire de l'électrovanne et du dispositif à restriction 28 à la zone en aval 29 du dispositif à double clapet, c'est-à-dire en aval du deuxième clapet 12'. La capacité se remplit lorsque l'électrovanne occupe une première position et se vide lorsque l'électrovanne est dans une deuxième position. L'intérêt de cette solution est d'obtenir une pression finale Pf quasi constante en valeur absolue sans la nécessité d'un capteur de pression supplémentaire, la mesure de la correction de la densité étant indépendante de la mesure du débit. La figure 7 illustre un appareil à dispositif double clapet, équipé d'un agencement densimètre selon l'invention, l'organe obturateur étant associé au premier clapet 12 en portant la référence 14. La capacité 24 ne comporte qu'un orifice, à savoir un orifice 25 qui est relié, d'une part, par une électrovanne 42 du type 1/2 à la zone avant 27 du premier clapet 12, par la conduite 26, et, d'autre part, au travers de l'électrovanne et la conduite 32 à la zone 29 en aval du deuxième clapet 12'. Le dispositif à restriction 28 est placé dans la conduite 26. Il est à noter que la plage de débits sur laquelle la densité est mesurée varie de 1% à 100% du débit nominal. Bien entendu, divers autres modes et versions de réalisation de l'agencement débitmètre selon l'invention sont envisageables, sans sortir du cadre de l'invention. Il est à noter que les figures 8 et 9 montrent, également à titre d'exemple, un appareil selon l'invention, en illustrant particulièrement la disposition de la capacité 24 et d'une électrovanne, par exemple 31 ou 40 pour démontrer la façon de laquelle l'agencement débitmètre peut être intégré à l'appareil afin de former un ensemble compact.25 REVENDICATIONS1. Appareil régulateur de gaz à détente et à clapet d'obturation de la voie d'écoulement du gaz, du type comprenant un dispositif clapet et un dispositif siège, mobiles l'un par rapport à l'autre, entre une position d'obturation de la voie d'écoulement de gaz entre un orifice d'entrée et un orifice de sortie et une position d'ouverture de cette voie, caractérisé en ce qu'il comprend une capacité (24) de chargement et de déchargement du gaz à travers un organe (28) ayant une voie d'écoulement subsonique à section calibrée réduite, qui est montée de façon à pouvoir communiquer alternativement avec deux zones de pression différentes de l'appareil situées de part et d'autre d'un organe clapet. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un clapet unique, les zones en amont et en aval précitées sont des zones en amont et en aval de ce clapet. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un dispositif à double clapet, avec un espace intermédiaire entre les deux organes clapet, les zones en amont et en aval précitées sont des zones en amont du premier organe clapet et l'espace intermédiaire. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un dispositif à double clapet, les zones amont et en aval précitées sont des zones situées en amont du premier organe clapet et en aval du deuxième organe clapet. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agencement densimètre est susceptible de comporte une électrovanne adaptée pour assurer le chargement et le déchargement de la capacité en fonction du fonctionnement de l'appareil. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend unmicrocontrôleur, programmé pour assurer l'établissement de la densité ou masse volumique par intégration de la courbe de variation de la pression en fonction du temps dans la capacité entre une pression initiale et une pression finale. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité est intégrée à l'appareil de façon à former avantageusement un bloc compact.