Brevet FR3162511A1 — publié le 20251128

L'invention porte sur un procédé de détection d’arrivée d'un front de liquide dans une vanne (10) comportant: - une étape d’application d’un signal de commande (Uper) de la vanne de façon à faire commuter de façon continue la vanne (10) entre deux positions de commutation à savoir une position ouverte et une position fermée, une durée entre le passage d’une position de commutation à une autre correspondant à un cycle de fonctionnement, - une étape de mesure d’au moins un paramètre d’un signal électrique (Irep) de la vanne (10) au cours de chaque cycle de fonctionnement, et - une étape de détection d’arrivée d’un front de liquide dans la vanne (10) à partir d’un changement temporel du paramètre du signal électrique (Irep) de la vanne (10). Figure pour abrégé: Figure 1 PROCÉDÉ DE DÉTECTION D'ARRIVÉE D'UN FRONT DE LIQUIDE DANS UNE VANNE La présente invention porte sur un procédé de détection d'arrivée d'un front de liquide dans une vanne. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, pour détecter l'arrivée d'un front de liquide dans une vanne d'un circuit microfluidique. De façon connue en soi, les systèmes microfluidiques, en particulier ceux basés sur une mise en mouvement par pressurisation d’un réservoir liquide d’entrée, utilisent des vannes commandées électroniquement pour contrôler le fluide. Ces vannes sont généralement des vannes dites "solénoïdes" constituées principalement d’un aimant, d’une bobine et éventuellement d’un ressort de rappel. Il est souvent nécessaire de connaître précisément la position d’un front de liquide qui passe dans un circuit initialement rempli d’air généralement à la pression atmosphérique. En effet, la connaissance de la position du front de fluide permet de piloter la phase transitoire d’amorçage de l’écoulement dans le circuit microfluidique, plutôt que de la laisser au hasard. Dans le cadre d'un procédé de mixtion, cela permet de savoir notamment lorsqu'un mélange entre deux fluides va commencer à l'intérieur d'un circuit microfluidique. Il existe des capteurs de bulles d'air (dits "bubble detector" selon la terminologie anglosaxonne) qui permettent de détecter de l’air se trouvant à l'intérieur d'un volume mort disposé sous le capteur. Ils peuvent être utilisés pour détecter un front initial de liquide. Toutefois, l'utilisation d'un capteur de bulles d'air pour déterminer la position d’un front de liquide est complexe et engendre l'ajout d’un volume mort supplémentaire qui peut poser des problèmes lorsqu’on souhaite à manipuler de très petites quantités de liquide, de l’ordre de la dizaine de microlitres. L'invention vise à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant un procédé de détection d’arrivée d'un front de liquide dans une vanne comportant: - une étape d’application d’un signal de commande de la vanne de façon à faire commuter de façon continue la vanne entre deux positions de commutation à savoir une position ouverte et une position fermée, une durée entre le passage d’une position de commutation à une autre correspondant à un cycle de fonctionnement, - une étape de mesure d’au moins un paramètre d’un signal électrique de la vanne au cours de chaque cycle de fonctionnement, et - une étape de détection d’arrivée d’un front de liquide dans la vanne à partir d’un changement temporel du paramètre du signal électrique de la vanne. L’invention permet ainsi en utilisant la vanne comme un détecteur de front de liquide d'effectuer des économies de coût en supprimant l'intégration d'un capteur de bulles d'air. L'invention est également simple à mettre en œuvre dans la mesure où elle nécessite uniquement une mise à jour logicielle d'un module de commande de la vanne et l'intégration de moyens de mesure de la réponse électrique du système. L'invention permet également de déterminer précisément le moment où un mélange de liquide va commencer et dans le cas où on dispose d'une mesure de débit, de maîtriser le volume de fluide passant dans le système. Selon une mise en œuvre de l'invention, le ou les paramètres du signal électrique sont choisis parmi: un maximum d’amplitude, un minimum d’amplitude, un niveau d’un creux de signal électrique, une durée d'un creux de signal, une durée pour atteindre un maximum ou un minimum d’amplitude. Selon une mise en œuvre de l'invention, l'on considère une détection d'arrivée d’un front de liquide dans la vanne lorsque le changement temporel du paramètre du signal électrique est observé sur plusieurs cycles de fonctionnement afin d'éviter la détection de faux positifs. Selon une mise en œuvre de l'invention, le changement temporel du ou des paramètres du signal électrique est détecté en comparant une valeur du ou des paramètres du signal électrique par rapport à une ou plusieurs plages de valeurs prédéterminées correspondantes. Selon une mise en œuvre de l'invention, le changement temporel du ou des paramètres du signal électrique est détecté de façon relative en comparant une valeur du ou des paramètres du signal électrique mesurés lors d’un ou plusieurs cycles de fonctionnement donnés par rapport à une valeur du ou des paramètres du signal électrique mesurés lors d'un ou plusieurs cycles de fonctionnement précédent(s). Selon une mise en œuvre de l'invention, la vanne est une vanne solénoïde de type tout ou rien. Selon une mise en œuvre de l'invention, la vanne est une vanne microfluidique à faible volume interne, de l’ordre de la dizaine de microlitres. Selon une mise en œuvre de l'invention, la vanne est une vanne microfluidique à temps de réponse très faible compris entre 0.2ms et 15ms. Selon une mise en œuvre de l'invention, une viscosité du liquide est comprise entre 0.1 et 200 cPo. L'invention a également pour objet une unité de commande comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que précédemment défini. La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles: FIG. 1 La FIG. 1 est une représentation schématique d'une vanne solénoïde installée sur une conduite de liquide et pilotée par une unité de commande apte à mettre en œuvre le procédé de détection d'arrivée d'un front de liquide selon la présente invention; FIG. 2 La FIG. 2 est une représentation graphique, en fonction du temps, d'une tension de commande de la vanne solénoïde de la FIG. 1 et de la réponse en courant correspondante dans le cadre d'un fonctionnement normal de la vanne; FIG. 3 La FIG. 3 est une représentation graphique, en fonction du temps, du signal de tension de commande de la vanne solénoïde de la FIG. 1 pour la mise en œuvre du procédé de détection d'arrivé d'un front de liquide selon l'invention; FIG. 4 La FIG. 4 est une représentation graphique, en fonction du temps, de la réponse en courant observée lors de la mise en œuvre du procédé de détection d'arrivée d'un front de liquide selon l'invention lors d'un cycle de fonctionnement de la vanne. Il est à noter que, sur les figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. La FIG. 1 montre une vanne 10 installée sur une conduite de liquide 11. De préférence, la vanne 10 est une vanne solénoïde constituée principalement d’un aimant, d’une bobine et éventuellement d’un ressort de rappel. En variante, on utilise une vanne solénoïde sans aimant comportant un métal sensible au champ magnétique. La vanne 10, de type tout ou rien, est apte à prendre une position ouverte autorisant un passage de liquide à travers la vanne 10 et une position fermée empêchant le passage de liquide à travers la vanne 10. La position ouverte et la position fermée correspondent aux deux positions de commutation de la vanne 10. Afin de minimiser le volume de fluide traversant la vanne 10, la vanne 10 est une vanne microfluidique à faible volume interne, de l’ordre de la dizaine de microlitres. La vanne 10 est également une vanne microfluidique à temps de réponse très faible compris entre 0.2ms et 15ms. Comme cela est illustré sur la FIG. 2 , la vanne 10 passe d’une position de commutation à une autre, autrement dit commute, lorsqu’elle est soumise à une tension de commutation dite "spike voltage" selon la terminologie anglo-saxonne. On distingue une tension de commutation à l'ouverture Ucom_ouv permettant de faire passer la vanne 10 de la position fermée à la position ouverte et une tension de commutation à la fermeture Ucom_ferm permettant de faire passer la vanne 10 de la position ouverte à la position fermée. Suivant un exemple de mise en œuvre, la tension de commutation à l'ouverture Ucom_ouv est par exemple de l’ordre de +20 Volts et la tension de commutation à la fermeture Ucom_ferm est par exemple de l’ordre de -20 Volts ou inversement. La vanne 10 est soumise à une tension de maintien dite "hold voltage" selon la terminologie anglo-saxonne pour être maintenue dans une position de commutation donnée. On distingue une tension de maintien à l'ouverture Uh_ouv permettant de maintenir la vanne 10 en position ouverte et une tension de maintien à la fermeture Uh_ferm permettant de maintenir la vanne 10 en position fermée. Suivant un exemple de mise en œuvre, la tension de commutation à l'ouverture Ucom_ouv est par exemple de l’ordre de +5 Volts et la tension de commutation à la fermeture Ucom_ferm est par exemple de l’ordre de -5 Volts ou inversement. Bien entendu, les valeurs des tensions de commutation à l'ouverture et à la fermeture ainsi que les valeurs des tensions de maintien à l'ouverture Uh_ouv et à la fermeture Uh_ferm peuvent varier d'une application à une autre. La courbe Irep représente la réponse en courant de la vanne 10. Une unité de commande 12 comporte une mémoire 13 stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre d'un procédé de détection d'une arrivée d'un front de liquide dans la vanne 10 décrit ci-après en référence avec les figures 1, 3 et 4. L'unité de commande 12 peut être confondue avec le circuit électronique qui pilote la vanne 10. En variante, l'unité de commande 12 est distincte du circuit électronique qui pilote la vanne 10. A cet effet, l'unité de commande 12 pilote l'application, dans une étape 100, d’un signal de commande de la vanne 10, en l'occurrence un signal de tension périodique Uper de façon à faire commuter de façon continue la vanne 10 entre une position ouverte et une position fermée, une durée Tc entre le passage d’une position à une autre correspondant à un cycle de fonctionnement. Pour une commande en tension, on génère des créneaux périodiques qui ont une période comprise entre 100µs et 10ms. Pour une commande en intensité décrite ci-après, on génère des créneaux périodiques analogues mais l'unité de commande 12 aura besoin de réagir 10 à 100 fois plus vite pour garantir le respect de la consigne d'intensité. De préférence, comme cela est illustré sur la FIG. 3 , la commutation de la vanne 10 est effectuée en passant d'une tension de commutation Ucom_ouv, Ucom_ferm à une autre sur des périodes très brèves de l'ordre de la milliseconde sans nécessairement passer par les tensions de maintien à l'ouverture ou à la fermeture. Les tensions et courants en jeu pour actionner une vanne 10 solénoïde pour ce procédé sont de l’ordre de 1 à 50V et de quelques milliampères à 5A. L'unité de commande 12 gère une étape 102 de mesure d’au moins un paramètre d’un signal de réponse en courant Irep de la vanne 10 au cours de chaque cycle de fonctionnement. L'unité de commande 12 détecte, dans une étape 103, l'arrivée d’un front de liquide dans la vanne 10 en fonction d’une évolution temporelle du paramètre du signal de réponse en courant Irep de la vanne 10. En effet, initialement, le circuit est rempli d’air, de sorte que la vanne 10 commute rapidement du fait de l'absence de liquide dans le corps de la vanne 10. Lorsque le liquide arrive dans la vanne 10 et y remplace l’air présent, la vanne 10 va commuter plus lentement puisqu’elle a besoin de déplacer un peu de liquide qui s'oppose au déplacement de la vanne 10 à chaque cycle de fonctionnement, ce qui modifie le signal de réponse en courant Irep. Il est donc possible de détecter l’arrivée du front de liquide en comparant l’évolution temporelle du signal de réponse en courant Irep au cours de différents cycles de fonctionnement. Le ou les paramètres du signal de réponse en courant sont choisis parmi: un maximum d’amplitude, un minimum d’amplitude, un niveau d’un creux de courant, une durée d’un creux de courant, une durée pour atteindre un maximum ou un minimum d’amplitude. Dans l'exemple représenté sur la FIG. 4 , il est possible de considérer le niveau N, N' d’un creux de courant et/ou une durée T; T' du creux de courant. En effet, lorsque le liquide arrive dans la vanne 10, le mouvement de la vanne 10 est plus lent donc le creux de courant (représenté en traits discontinus) dure plus longtemps et/ou est plus marqué que le creux de courant représenté en trait plein observé en absence de liquide parcourant la vanne 10. Sur la FIG. 4 , le creux de courant présente un niveau N (relativement faible) et une durée T (relativement faible) lorsque la vanne 10 n'est pas parcourue par un liquide et un niveau N' (relativement élevé) et une durée T' (relativement élevée) lorsque la vanne 10 est parcourue par un liquide. Le changement temporel du ou des paramètres du signal de réponse en courant Irep peut être détecté en comparant une valeur du ou des paramètres du signal de réponse en courant Irep par rapport à une ou plusieurs plages de valeurs prédéterminées correspondantes. Par exemple, une plage de valeurs du paramètre du signal de réponse en courant Irep est préalablement déterminée lors d'une phase d'étalonnage pour une vanne 10 non parcourue par un liquide. Si la valeur du paramètre du signal de réponse en courant Irep se situe à l'extérieur de cette plage de valeurs, alors on en déduit que la vanne 10 est parcourue par un liquide. Alternativement ou en complément, le changement temporel du ou des paramètres du signal de réponse en courant Irep peut être détecté de façon relative en comparant une valeur du ou des paramètres du signal de réponse mesurés lors d’un ou plusieurs cycles de fonctionnement donnés par rapport à une valeur du ou des paramètres du signal de réponse en courant mesurés lors d'un ou plusieurs cycles de fonctionnement précédent(s). Il est possible de considérer la détection du front de liquide à l'intérieur de la vanne 10 lorsque le changement temporel du paramètre du signal de réponse en courant Irep est observé sur un seul cycle de fonctionnement. Alternativement, il est possible de considérer la détection du front de liquide à l'intérieur de la vanne 10 lorsque le changement temporel du paramètre du signal de réponse en courant Irep est observé sur plusieurs cycles de fonctionnement . Cela permet de s’assurer que la détection est fiable et donc d'éviter une fausse détection de front de liquide liée à des variations intempestives du signal de réponse en courant Irep. Alternativement ou en complément, il est possible d'utiliser un filtre médian ou ses variations sur le signal de réponse en courant Irep pour détecter un changement temporel d'un paramètre du signal de réponse Irep. Tout autre procédé de traitement du signal adapté à l'application peut être mis en œuvre. Avantageusement, le procédé est mis en œuvre avec des pressions de l’ordre de 0-10bar (10 5 - 10 6 Pascals) mais la perte de fluide sera minimisée avec des pressions de l’ordre de la centaine de millibars (10 4 Pascals). La détection du front de liquide est d’autant plus facile que le fluide est visqueux, dans la mesure où il ralentit d’autant le mouvement de la vanne 10. La viscosité du liquide doit néanmoins rester compatible avec les capacités de la vanne 10. La viscosité du fluide peut être comprise entre 0.1 et 200 cPo. Dans l'exemple de mise en œuvre du procédé précédemment décrit, la vanne 10 est pilotée en tension tandis que l'on observe la réponse en courant Irep. Alternativement, la vanne 10 peut être pilotée par un signal électrique de courant ce qui nécessite un asservissement consistant à ajuster la tension à très haute fréquence pour obtenir une intensité de courant recherchée. C’est alors l’observation du niveau de tension nécessaire à l’obtention du courant de consigne qui permet de détecter la présence de liquide à l'intérieur de la vanne 10. Plus généralement, on mesure au moins un paramètre du signal électrique de tension de la vanne 10 au cours de chaque cycle de fonctionnement, et l’arrivée d’un front de liquide dans la vanne 10 est détecté à partir d’un changement temporel du paramètre du signal électrique de tension de façon analogue à ce qui a été décrit précédemment pour un signal de réponse en courant Irep. L'invention peut être mise en œuvre avec un mélangeur microfluidique qui nécessiterait de connaître le moment d'arrivée d'un front de liquide à l'intérieur de la vanne 10 afin d'éviter une quantité inutilisée de liquide due à une détection tardive du front de liquide dans la vanne 10 ou un mélange détérioré qui aurait commencé avant la présence d'un liquide dans la vanne 10 du mélangeur. L'invention permet également de déterminer précisément le volume de liquide utilisé dans le cadre de la préparation d'un mélange de liquide dans le cas où on dispose d'une mesure de débit. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association. Procédé de détection d’arrivée d'un front de liquide dans une vanne (10), caractérisé en ce qu’il comporte: - une étape (101) d’application d’un signal de commande de la vanne (Uper) de façon à faire commuter de façon continue la vanne (10) entre deux positions de commutation à savoir une position ouverte et une position fermée, une durée (Tc) entre le passage d’une position de commutation à une autre correspondant à un cycle de fonctionnement, - une étape (102) de mesure d’au moins un paramètre d’un signal électrique (Irep) de la vanne (10) au cours de chaque cycle de fonctionnement, et - une étape (103) de détection d’arrivée d’un front de liquide dans la vanne (10) à partir d’un changement temporel du paramètre du signal électrique (Irep) de la vanne (10). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les paramètres du signal électrique (Irep) sont choisis parmi: un maximum d’amplitude, un minimum d’amplitude, un niveau d’un creux de signal électrique, une durée d'un creux de signal, une durée pour atteindre un maximum ou un minimum d’amplitude. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on considère une détection d'arrivée d’un front de liquide dans la vanne (10) lorsque le changement temporel du paramètre du signal électrique (Irep) est observé sur plusieurs cycles de fonctionnement afin d'éviter la détection de faux positifs. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le changement temporel du ou des paramètres du signal électrique (Irep) est détecté en comparant une valeur du ou des paramètres du signal électrique (Irep) par rapport à une ou plusieurs plages de valeurs prédéterminées correspondantes. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le changement temporel du ou des paramètres du signal électrique (Irep) est détecté de façon relative en comparant une valeur du ou des paramètres du signal électrique (Irep) mesurés lors d’un ou plusieurs cycles de fonctionnement donnés par rapport à une valeur du ou des paramètres du signal électrique mesurés lors d'un ou plusieurs cycles de fonctionnement précédent(s). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vanne (10) est une vanne solénoïde de type tout ou rien. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la vanne (10) est une vanne microfluidique à faible volume interne, de l’ordre de la dizaine de microlitres. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la vanne (10) est une vanne microfluidique à temps de réponse très faible compris entre 0.2ms et 15ms. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une viscosité du liquide est comprise entre 0.1 et 200 cPo. Unité de commande (12) comportant une mémoire (13) stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.