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"Procédé de dosage de fluide et dispositif pour sa mise en oeuvre."
La présente invention est relative à un procédé de dosage de fluide à partir d'un corps de pompe volumétrique à piston, comprenant des cycles de dosage successifs formés chacun d'une aspiration de fluide à l'intérieur du corps de la pompe volumétrique, et d'une injection du fluide aspiré à l'extérieur du corps de pompe volumétrique. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On connaît depuis longtemps des pompes doseuses volumétriques destinées à injecter des réactifs liquides de façon précise dans divers milieux, tels que par exemple des réservoirs contenant une autre matière ou des tuyauteries dans lesquelles passe un autre fluide.
Parmi ces pompes doseuses on utilise fréquemment des pompes de type à piston.
Dans ces pompes doseuses à piston, le corps de dosage contient une chambre de dosage qui est munie d'un clapet anti-retour à l'entrée d'aspiration et d'un clapet anti-retour à la sortie de refoulement ou d'injection. Chaque cycle de dosage est formé d'une aspiration de fluide à l'intérieur de la chambre de dosage et d'une injection du fluide aspiré à l'extérieur de la pompe. Dans les pompes doseuses à piston connues, l'aspiration est provoquée par un retrait du piston hors de la chambre de dosage et l'injection par un enfoncement du piston en sens opposé dans la chambre de dosage, la chambre de dosage présentant donc un volume variable.
La tête du piston est soit directement en contact avec le liquide contenu dans la chambre de dosage, soit elle en
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est séparée par une membrane et un liquide hydraulique sur lequel la tête de piston agit.
Dans les pompes à piston connues, les moyens de commande et d'entraînement sont très divers, que ce soient des entraînements à moteur avec réducteur de vitesse couplé à un système à bielle ou à excentrique, un moteur hydraulique, un électro-aimant pilote, etc.
Dans tous les cas, le piston de la pompe doseuse est entraîné de manière à effectuer un mouvement de va-et-vient selon une fréquence déterminée et sur un certain déplacement.
On peut, avec ces dispositifs connus, moduler par exemple la fréquence des cycles de dosage en faisant notamment varier la vitesse du moteur et par conséquent la longueur de la période du mouvement de va-et-vient.
On peut aussi moduler la course du piston. Dans le cas des mécanismes à bielle, divers systèmes coûteux peuvent être utilisés pour modifier la longueur de la bielle. Dans le cas des entraînements hydrauliques, on peut prévoir des systèmes à échappement à position variable sur le cylindre du corps hydraulique.
Dans tous les cas cités ci-dessus, le piston est entraîné de manière à effectuer un cycle complet continu d'aspiration et d'injection, ce cycle étant généralement symétrique, ou encore asymétrique dans le cas des entraînements magnétiques. On peut encore prévoir un temps mort à la fin de chaque cycle.
L'inconvénient de ces pompes à piston connues réside dans leur manque de souplesse. Pour une pompe d'un débit nominal horaire déterminé, on ne peut en effet, en jouant sur la course du piston, qu'obtenir un débit horaire se situant sur une plage de 20 % à 100 % du débit horaire nominal. Pour réduire davantage ce débit horaire, il ne reste plus que la possibilité de diminuer la fréquence des injections ou
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d'augmenter les temps morts, ce qui est absolument inapplicable dans les dosages dits"en ligne", c'est-à-dire sur des liquides en train de passer dans une tuyauterie. Ainsi donc, dans la pratique, il est nécessaire de disposer d'une large gamme de pompes doseuses de débits nominaux échelonnés.
On trouve par exemple pour couvrir une gamme de débits horaires de 0 à 20 I/h, une multitude de corps de pompe différents présentant par exemple la gamme suivante : 0, 1-0, 3- 0, 7-2-4-8-12-20 I/heure. Il en résulte évidemment un grand problème de fabrication, de stockage, de livraison et d'entretien des pièces.
Enfin, dans les pompes doseuses connues dont le volume du corps permet un débit nominal horaire égal ou inférieur à environ 1 I/h, il existe un grand problème de désamorçage de la pompe, causé par le phénomène de dégazage des fluides instables ou par la présence en général de bulles de gaz à l'aspiration.
La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif de dosage qui évitent les inconvénients précités et qui permettent une plus grande souplesse de fonctionnement, pour un très grand nombre de débits horaires différents. Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent avantageusement de diminuer les stocks et le nombre de pièces détachées et apportent une solution au problème du désamorçage.
Pour résoudre ces problèmes, on a prévu suivant l'invention, un procédé tel que décrit au début, qui est caractérisé en ce que l'injection du fluide aspiré d'un cycle s'effectue sélectivement en un ou plusieurs intervalles de temps d'injection avant un cycle de dosage suivant, chaque intervalle de temps d'injection correspondant à une injection d'une quantité dosée du fluide.
Au contraire des procédés suivant l'état connu de la technique, où la quantité dosée est déterminée par la quantité de liquide
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aspirée dans la chambre de dosage et aussitôt injectée à l'extérieur en une fois, suivant le présent procédé, la quantité dosée correspond uniquement à celle injectée pendant l'intervalle de temps d'injection présélectionné, en permettant ainsi, à partir d'un volume important d'une pompe, des injections successives d'une même quantité dosée ou de quantités dosées différentes, sans aspiration intercalaire. On comprendra aisément que l'on puisse dès lors réduire drastiquement la gamme des pompes à utiliser.
Par exemple, une pompe suivant l'invention d'un débit nominal horaire de 20 I/h, c'est-à-dire de 20 lih si le piston effectue un va-et-vient sur une période de 1 seconde, permettrait des débits horaires de 0,01 I/h à 20 I/h avec une grande précision des quantités dosées. On peut estimer que 3 modèles de pompes uniques permettant les débits
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horaires suivants : 0, 01 à 20 Ilh, 1 à 250 Ilh et 100 à 2000 Vh suffiraient pour remplacer une gamme d'au moins 30 modèles différents des pompes actuellement mises sur le marché.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, l'injection comprend des intervalles de temps d'injection séparés par des temps morts de la pompe. Avantageusement, les temps morts de la pompe entre chaque intervalle de temps d'injection d'un cycle ont chacun une durée permettant ladite aspiration. Il est alors possible de placer avantageusement, au choix, une aspiration permettant de remplir à nouveau la chambre de dosage entre deux intervalles d'injection successifs.
Il est évidemment aussi possible d'envisager que plusieurs intervalles d'injection se succèdent immédiatement, sans temps mort entre eux.
Suivant un mode de réalisation perfectionné de l'invention, le procédé peut comprendre une modulation de la quantité dosée pendant chaque intervalle d'injection ainsi qu'éventuellement aussi une modulation de la fréquence des intervalles de temps d'injection. On peut
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par ailleurs prévoir une modulation de la durée de chaque intervalle de temps d'injection.
De préférence, l'aspiration est continue pendant un seul intervalle de temps. On peut toutefois prévoir également une aspiration discontinue, de la même façon que cela est prévu pour l'injection.
Un temps mort peut aussi être prévu après certains ou chaque cycle de dosage.
De préférence l'aspiration et l'injection sont automatisées.
D'autres détails concernant le procédé suivant l'invention sont indiqués dans les revendications 1 à 10 qui suivent.
On a également prévu suivant l'invention un dispositif de dosage pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Ce dispositif comprend - un corps de pompe volumétrique contenant une chambre de dosage à volume variable, - une entrée pour une aspiration de fluide dans la chambre de dosage à partir d'une source, - une sortie pour une injection de fluide de la chambre de dosage dans un volume extérieur, - un moyen de clapet à l'entrée empêchant un retour du fluide aspiré dans la chambre de dosage, - un moyen de clapet à la sortie empêchant un retour du fluide injecté dans le volume extérieur, - un moyen de piston qui est capable d'effectuer une course de déplacement dans le corps de pompe dans deux sens opposés, et qui, au cours de son déplacement dans un premier sens,
provoque un agrandissement du volume de la chambre de dosage et donc une aspiration susdite, et, au cours de son déplacement dans un deuxième sens opposé au premier, provoque une réduction du volume de la chambre de dosage et donc une injection susdite,
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- des moyens d'entraînement du moyen de piston dans son déplacement, et - des moyens de commande desdits moyens d'entraînement, capables d'actionner ceux-ci au cours des cycles de dosage successifs précités de manière que ledit moyen de piston effectue ledit déplacement dans le deuxième sens sélectivement en une ou plusieurs étapes correspondant chacune à une quantité dosée de fluide.
Suivant une forme de réalisation perfectionnée de l'invention, les moyens d'entraînement du dispositif comprennent - un moteur rotatif pas à pas à deux sens de rotation, - un moyen d'engrenage entraînable dans les deux sens par le moteur, - une crémaillère en prise avec le moyen d'engrenage et capable d'entraîner le moyen de piston dans lesdits deux sens opposés de son déplacement, et, au cours du déplacement du moyen de piston dans le deuxième sens susdit, les moyens de commande avancent le moteur en une ou plusieurs étapes d'un nombre de pas prédéterminé, d'une manière correspondant auxdites étapes de déplacement du moyen de piston, avec pour effet à chaque avancement une injection d'une quantité dosée du fluide.
On connaît déjà dans le domaine médical une pompe doseuse entraînée par un moteur pas à pas et son système à came (v. US-A-4.474. 309). Ce dispositif est prévu pour pouvoir entraîner le moteur de la pompe à une vitesse plus grande pendant l'aspiration et à une vitesse plus lente pendant l'injection. Ce dispositif tente ainsi d'éviter au maximum le phénomène des pulsations peu souhaitable, en particulier dans le domaine médical, en linéarisant au maximum l'injection.
Toutefois, ici encore, on envisage toujours un remplissage de la chambre de la pompe à la fin de chaque intervalle d'injection, et une telle pompe
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est donc incapable de porter remède aux problèmes résolus par les pompes suivant l'invention.
D'autres indications concernant le dispositif suivant l'invention sont données aux revendications 11 à 16 qui suivent.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif, et avec référence aux dessins annexés.
Sur les différents dessins, les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références.
La figure 1 représente une vue en élévation frontale, partiellement brisée, des moyens d'entraînement d'une pompe doseuse suivant l'invention.
La figure 2 représente une vue en élévation latérale de la figure 1.
Les figures 3 et 4 représentent d'une manière schématique l'intérieur du corps de pompe de deux variantes de réalisation suivant l'invention.
La figure 5 représente un schéma fonctionnel d'une forme de réalisation de circuit de commande de dispositif de dosage suivant l'invention.
Les figures 6a à 6e représentent des diagrammes de fonctionnement de pompes suivant l'invention.
Sur les figures 1 et 2, on a représenté un corps de pompe volumétrique 1, dont seule une partie 2 est illustrée. Sur ce corps de pompe sont fixées deux plaques de support 3 et 4 disposées parallèlement et écartées l'une de l'autre par des entretoises 5 à 8.
Un moteur rotatif pas à pas 9 est supporté, par son boîtier, sur la plaque de support 3. Il entraîne en rotation dans les deux sens un arbre menant 10 qui traverse la plaque 3 et est pourvu à son extrémité, située entre les deux plaques 3 et 4, d'une roue dentée 11. Celle-ci est
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en prise avec un engrenage réducteur qui est, dans l'exemple illustré, formé d'un pignon denté 12 en prise avec la roue 11 et supporté sur la plaque 3 de manière à pouvoir tourner autour de son axe. Le pignon denté 12 entraîne en rotation un arbre coaxial 13 qui est pourvu à son extrémité opposée au pignon 12 d'une roue dentée 14. Celle-ci est en prise avec une crémaillère 15 disposée, dans l'exemple illustré, entre les plaques 3 et 4. Cette crémaillère 15 est rattachée à une extrémité du piston, qui ici est en position enfoncée.
Sur son côté opposé à la roue dentée 14, la crémaillère 15 est prévue lisse et elle est guidée entre la roue dentée 14 et un galet de guidage 16 qui est supporté par la plaque de support 4.
Dans le corps de pompe 1, on peut prévoir un agencement du type pompe à piston, connu en soi, et illustré de manière schématique et non imitatrice sur les figures 3 et 4.
La pompe suivant la figure 3 comporte une chambre de dosage 17 à volume variable, qui est pourvue d'une entrée 18 pour l'aspiration du fluide et d'une sortie 19 pour l'injection vers l'extérieur du fluide contenu dans la chambre de dosage. Des clapets anti-retour 20 et 21 sont prévus pour empêcher respectivement un retour de fluide aspiré dans la chambre de dosage et un retour du fluide injecté dans un volume extérieur. Ces clapets sont connus en soi et peuvent être par exemple du type à bille rappelée sur son siège par gravité ou par contre-pression extérieure ou encore par un ressort de rappel. On peut aussi prévoir des moyens de clapet dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par des moyens de commande.
Le piston 22 est, dans l'exemple illustré, capable d'effectuer une course de déplacement dans le corps de la pompe dans deux sens opposés. Dans un premier sens de déplacement du piston, vers la droite sur la figure 3, il y a agrandissement du volume de la chambre de dosage 17, et donc aspiration. Le clapet 21 se ferme, le clapet 20
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s'ouvre et du liquide est aspiré à l'intérieur de la chambre de dosage. Dans le deuxième sens de déplacement du piston, opposé au premier, il y a réduction du volume de la chambre de dosage 17, et donc augmentation de pression. Le clapet 20 se ferme, le clapet 21 s'ouvre et du liquide est injecté à l'extérieur de la chambre de dosage.
A la différence de la pompe illustrée sur la figure 3, celle illustrée sur la figure 4 comprend en outre une membrane 23 qui est disposée entre la chambre de dosage 17 et la tête du piston 22. Dans l'espace situé entre la membrane 23 et la tête de piston 22, un liquide hydraulique est renfermé. Un tel agencement est préférable en cas de dosage de réactifs agressifs, pour ne pas abîmer le piston.
La figure 5 montre, à titre d'exemple d'un entraînement du piston d'une pompe doseuse suivant l'invention, un schéma fonctionnel d'un circuit de commande 24 d'un moteur pas à pas 9 agencé à cette fin.
Le circuit de commande 24 de l'exemple comporte un boîtier de commande 25 du genre automate programmable (en anglais, PLC ou Programmable Logic Computer) ou encore du genre microcommande (en anglais, microcontroller). A ce boîtier de commande 25 sont reliés un clavier 33, pour l'entrée et le changement de données quant à par exemple le volume d'une dose à fournir par la pompe, une cadence à laquelle cette dose doit être fournie, etc., et un écran de visualisation 27 par exemple du type à diodes électroluminescentes, pour pouvoir suivre le déroulement de la programmation dudit boîtier 25, l'ordre des opérations que commande celui-ci, etc.
Le boîtier de commande 25 peut comporter de plus des bornes d'entrée et/ou de sortie 26 pour recevoir et/ou respectivement délivrer des signaux analogiques et/ou numériques nécessaires au bon fonctionnement de la pompe, en fonction de l'application particulière de celle-ci. L'homme de métier est à même de choisir le ou les signaux susdits en fonction du programme qu'il établit pour cette application.
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D'un autre côté, le boîtier de commande 25 comporte des bornes de sortie 27 et 28 destinées à fournir, d'une part, un signal de fréquence 29 et, d'autre part, un signal de sens de rotation 30 à un amplificateur de puissance 31 agencé pour alimenter le moteur pas à pas 9 selon les doses, et cadences de celles-ci, organisées par le boîtier de commande 25. Pour la commande du moteur pas à pas 9, l'amplificateur de puissance 31 est non seulement raccordé à celui-ci mais également à une source d'énergie ou alimentation 32.
Un opérateur, par le clavier 33, ou du matériel associé à la pompe doseuse, par la ou les bornes 26, peut introduire dans le boîtier de commande 25 les différentes données nécessaires pour réaliser un dosage avec au choix un ou plusieurs intervalles de temps d'injection pendant un cycle de dosage.
Le boîtier de commande 25 calcule, en fonction du programme qu'il doit réaliser et en fonction de la demande de l'opérateur ou du matériel associé, le nombre de pas que le moteur 9 doit effectuer en un intervalle de temps d'injection pour le dosage demandé et le sens dans lequel le moteur 9 doit tourner selon qu'il doit débiter une dose ou remplir le cylindre en vue de doses à débiter ultérieurement. Ces signaux de nombre de pas ou de fréquence 29 et de sens 30 sont transmis à l'amplificateur de puissance 31 qui les transforme en commandes du nombre de pas et du sens de rotation du moteur 9 avec la puissance nécessaire à cet effet délivrée par la source 32.
Une autre forme de réalisation de la commande du piston peut comprendre, à la place du moteur pas à pas 9 et de l'amplificateur de puissance 31 ci-dessus, un servomoteur et ses moyens d'alimentation et d'asservissement connus. Le boîtier de commande 25 est alors agencé pour envoyer au servomoteur les signaux adéquats d'angles et de sens de rotation en fonction du dosage demandé ou du remplissage nécessaire de la pompe.
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Un agencement, tel qu'illustré sur les figures 1 à 5, de la commande et de l'entraînement de la pompe suivant l'invention permet de moduler l'avance dans un très grand rapport. Un moteur pas à pas permet par exemple de faire varier sa vitesse entre 1/200 de tour par seconde et 33 tours par seconde. Cela permet donc à une pompe d'un débit nominal horaire de 20 !/h, de doser, selon la sélection de la vitesse de rotation du moteur, à des débits de 0,01 llh, avec une grande précision.
Une seule pompe d'un grand volume peut ainsi effectuer des dosages à de très faibles débits. Comme avantage supplémentaire, étant donné le volume considérablement plus important de la chambre de dosage du dispositif suivant l'invention que celui des dispositifs mis sur le marché et permettant de petits débits horaires égaux ou inférieurs à environ 1 I/h, on peut résoudre le problème du désamorçage de ces petites pompes connues. Les bulles de gaz éventuellement formées ne représentent aucun risque de désamorçage dans ces pompes de grand volume.
Les figures 6a à 6e représentent des diagrammes dans lesquels on a illustré en abscisse le temps et en ordonnée, dans la partie supérieure à la barre horizontale, le volume de liquide injecté à l'extérieur et, dans la partie inférieure à la barre horizontale, le volume de liquide aspiré dans la chambre de dosage.
Sur la figure 6a, les intervalles de temps d'injection sont séparés par un temps mort, qui non seulement est égal aux intervalles de temps d'injection mais aussi au temps nécessaire pour une aspiration continue permettant de remplir à nouveau la chambre de dosage. On peut par exemple prévoir des intervalles de temps d'injection d'une seconde. Après 4 intervalles de temps d'injection d'une seconde, avec un temps mort d'une seconde entre chaque intervalle, il se produit une
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phase d'aspiration d'une seconde. Le pilotage du processus est extrêmement aisé.
Sur la figure 6b, le fonctionnement est semblable, mais le débit a été modulé, en modifiant l'avance du moteur pas-à-pas sur un même intervalle de temps. La phase d'aspiration reste la même, mais peut n'intervenir qu'après un plus grand nombre d'intervalles de temps d'injection puisque la quantité dosée au cours de ceux-ci est plus petite.
Sur la figure 6c, on a prévu de diminuer la fréquence des intervalles de temps d'injection en allongeant les temps morts. On pourrait au contraire allonger ou réduire les durées des intervalles de temps d'injection, ou encore réduire les temps morts, ou même faire disparaître ceux-ci, ainsi qu'allonger ou réduire les temps d'aspiration.
Sur la figure 6d, on a choisi que la pompe fonctionne à son débit horaire maximum, sur toute la longueur de la course du piston. Ce fonctionnement correspond approximativement à celui des pompes doseuses courantes actuellement sur le marché qui présentent généralement un diagramme à courbe sinusoïdale.
On pourrait aussi prévoir de commander et entraîner suivant l'invention des pompes à piston du type à courbe sinusoïdale. Les moyens d'entraînement de ces pompes comprennent un moteur rotatif à un sens de rotation et un système à bielle ettou à excentrique, capable d'entraîner le moyen de piston dans ses deux sens de déplacement. Par un pilotage correspondant du moteur on pourrait obtenir un fonctionnement correspondant à celui de l'invention et illustré à l'aide du diagramme de la figure 6e. Il faudrait alors prévoir une durée différente pour chaque intervalle de temps d'injection, afin que les quantités dosées restent identiques à chaque intervalle de temps d'injection.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux modes et formes de réalisation décrits ci-
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dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications ci-après.
On peut par exemple prévoir de piloter la pompe doseuse suivant l'invention selon une période à configuration variable, même éventuellement discontinue et asymétrique. Il est préférable de rendre l'avance du piston modulable selon les besoins, tout en assurant un retour du piston, et donc une aspiration, aussi rapide que possible.