Dispositif pour mesurer et transférer des échantillons d'un fluide
La présente invention concerne un dispositif pour mesurer et transférer des échantillons d'un fluide d'un courant de fluide dans un autre courant de fluide.
Le dispositif selon l'invention trouve son application dans les analyseurs des fractions de vapeur, mais n'est pas limité à cette seule application. Des exemples d'autres applications du dispositif selon l'invention consistent dans le transfert d'un échantillon de liquide dans un appareil de titration automatique et, en général, dans n'importe quelle opération d'échantillonnage de fluides, dans laquelle on a besoin d'échantillons de volume réduit et précis en quantités variables.
Le fonctionnement d'un appareil courant d'analyse d'une fraction de vapeur consiste à faire arriver des échantillons de vapeur à plusieurs éléments composants successivement dans un courant d'un gaz porteur, par exemple d'hélium, et à les faire passer dans un tube ou colonne d'analyse rempli de particules inertes qui ont été recouvertes d'un liquide à basse tension de vapeur, tel qu'un silicone. Le coefficient d'adsorption de chaque vapeur élémentaire du volume de l'échantillon est différent à l'égard de la matière de garnissage. L'élément composant de l'échantillon dont le coefficient d'adsorption est le plus faible se sépare en premier lieu par élution de la colonne de l'analyseur et celui dont le coefficient d'adsorption est le plus grand à l'égard de la matière de garnissage se sépare par élution en dernier lieu.
Il en résulte que les divers éléments composants de l'échantillon se séparent d'une manière efficace et les éléments sortent de la colonne sous forme de bandes, chacune en mélange binaire avec le gaz porteur qui passe d'une manière continue. On détecte et mesure quantitativement chacun des éléments de l'échantillon en intercalant un élément électrique sensible à la chaleur dans le courant de gaz porteur à titre de mesure de référence et un élément dans le courant des mélanges binaires pour les mesurer. Ces éléments thermiques forment deux branches d'un circuit électrique en pont dont les signaux de sortie sont une mesure de la différence entre les propriétés thermiques des courants de référence et des mélanges binaires et par suite représentent le pourcentage de la teneur en volume des éléments intéressants dans les mélanges binaires.
Les variations de l'élément thermique de la cellule de mesure sont provoquées par les variations des propriétés thermiques des bandes progressives des mélanges binaires séparés par élution de la colonne chromatographique.
Elles ont pour effet de déséquilibrer le pont dont on détecte le déséquilibre par un détecteur approprié, tel qu'un potentiomètre enregistreur.
Les utilisateurs d'appareils d'analyse basés sur le principe de la fractométrie des vapeurs (aussi connue sous le nom de chromatographie en phase vapeur ou gazeuse) ont recherché depuis longtemps un dispositif de mesure et de transfert d'échantillons de fluides de grande précision, toujours la mme, permettant d'interrompre aussi peu que possible les opérations et le passage des courants à analyser. Divers types d'appareils d'échantillonnage et de transfert en usage dans l'industrie ne permettent pas de mesurer des échantillons avec la précision qui est nécessaire pour obtenir les résultats toujours les mmes que demande la chromatographie.
D'autres appareils de la précision nécessaire au travail de laboratoire ne donnent pas les résultats toujours les mmes qui sont indispensables dans les applications industrielles de l'analyse chromatographique. I1 est également très avantageux de pouvoir faire varier le volume des échantillons sans interrompre les courants. Les appareils actuellement connus d'échantillonnage et de transfert comportent des boucles de volume fixe pouvant tre interchangeables pour faire varier le volume de l'échantillon ou autres sortes de chambres de mesure des échantillons interchangeables ou fixes, mais pouvant tre choisies, qui ne permettent de régler le volume des échantillons que par échelons et obligent généralement à interrompre les courants pour modifier le volume de la chambre à échantillonner.
L'objet de l'invention consiste à remplir les conditions et à résoudre les problèmes précités.
L'invention donne la solution de plusieurs problèmes qui se posent conjointement aux constructeurs et utilisateurs des appareils chromatographiques, en particulier en ce qui concerne la mesure très précise et toujours la mme de très faibles quantités de fluides.
Le dispositif selon l'invention comprend une partie fixe et une partie mobile, des moyens de pression pour maintenir la partie mobile contre la partie fixe tout en lui permettant de glisser par rapport à ladite partie fixe, cette dernière comprenant des conduites d'admission et de sortie pour le passage d'au moins deux courants distincts de fluide, chaque conduite d'admission et de sortie communiquant respectivement avec au moins un canal et lesdits canaux communiquant eux-mmes avec des orifices situés sur la face de la partie fixe en contact avec la partie mobile, cette dernière comprenant des canaux et une chambre d'échantillonnage communiquant également avec des orifices situés sur la face de la partie mobile en contact avec
la partie fixe, ou s'ouvrant directement sur cette face,
et destinés à coopérer avec les orifices des canaux de
la partie fixe pour former des passages pour lesdits courants de fluide, la disposition étant telle que la chambre d'échantillonnage peut tre reliée à volonté, par coopération avec les canaux respectifs de deux conduites, respectivement d'admission et de sortie, à l'un des courants de fluide, en mme temps qu'un canal de ladite partie mobile, par coopération avec les canaux respectifs de deux autres conduites, respectivement d'admission et de sortie, est relié à un autre courant de fluide, de façon à permettre, par déplacement de la partie mobile par rapport à la partie fixe, de transférer d'un courant de fluide à un autre le volume de fluide contenu dans la chambre d'échantillonnage.
Ce dispositif est caractérisé en ce que la chambre d'échantillonnage comprend un dispositif de réglage volumétrique qui comprend un piston ajusté dans
ladite chambre d'échantillonnage de façon à pouvoir coulisser dans celle-ci et des organes de réglage pour régler la position du piston dans ladite chambre.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif objet de l'inven
tion.
La fig. 1 est une coupe partiellement schématique
de la partie de la chambre variable du dispositif réglé
en position de marche .
La fig. 2 est une coupe partiellement schématique
de la chambre variable dudit dispositif réglé en posi
tion de mesure .
La fig. 3 est une vue en plan, en partie schématique,
du dispositif.
La fig. 4 est une élévation latérale du dispositif.
La fig. 5 est une coupe principale passant par la partie supérieure ou de chambre variable du dispositif.
La forme d'exécution représentée sur le dessin comporte un indicateur micrométrique 22 posé sur une plaque antérieure 10 et fixé sur elle par des vis 16 et réuni à un adaptateur 1 1 qui comporte un élément rapporté femelle 12 de section hexagonale, dans lequel passe un arbre d'accouplement 9 coulissant librement, ajusté avec précision et de section hexagonale. L'arbre d'accouplement 9 est soudé ou fixé de toute autre manière sur un élément 26 usiné, à vis et piston, en forme de cuvette, qui se visse dans un trou fileté 31 d'un disque métallique rotatif 2. Ces filets sont taillés avec une précision telle que la précision du mouvement obtenu en les vissant l'un sur l'autre soit de l'ordre du micron.
Un piston en matière plastique 28 s'ajuste par une prolongation dans l'intérieur de l'élément en forme de cuvette 26 et y est fixé par une cheville 27 ajustée avec précision. Une bague torique 25, posée au point de jonction de la partie filetée et de la cuvette 26 de l'élément 26 à vis et piston usinés, sert d'amortisseur empchant les filets de se coincer ou de se déformer par torsion lorsque la cuvette 26 du piston s'applique fortement contre la partie antérieure du disque métallique rotatif 2.
Le disque métallique rotatif 2 et un disque rotatif en matière plastique 3 dont les surfaces lisses sont usinées sur les deux faces sont disposés l'un en face de l'autre et fixés l'un sur l'autre par des vis et goujons de position. Le disque en matière plastique 3 comporte des canaux de passage 14 et 15 fraisés dans sa surface postérieure, ainsi qu'un trou foré et alésé formant une chambre d'échantillonnage 29.
Les canaux de passage fraisés 14 et 15 sont en face de la surface antérieure 33 d'une pièce métallique 1 dans laquelle sont percés des trous 38, 39, 40. 41, 42 et 43 parmi lesquels les trous 38, 40, 41 et 43 communiquent respectivement avec des orifices latéraux de communication 34, 35, 36 et 37 qui sont également percés dans la pièce métallique l et les trous 39 et 42 font communiquer respectivement les trous 38 et 43 avec la surface antérieure 33 de la pièce métallique 1. Le dispositif est assemblé et fonctionne de façon à faire venir un des canaux fraisés en face de l'une ou l'autre des deux séries de trous, tandis que la chambre d'échantillonnage 29 est en face de l'autre série de trous.
Les disques rotatifs en métal et en matière plastique 2 et 3 sont retenus et poussés contre la surface supérieure 33 de la pièce métallique 1 par un ressort de compression 8 retenu par un collier 5 fixé par une vis de réglage 7 se vissant dans une colonne centrale 4. Un palier de poussée 6 est disposé entre le collier 5 et la vis de réglage 7 pour faciliter le réglage de la pression du dispositif. La tige filetée de la colonne centrale 4 se visse dans un trou percé et taraudé dans la surface antérieure 33 de la pièce métallique 1. Les éléments étant ainsi disposés, on peut régler la compression suivant les besoins de l'installation dans laquelle le dispositif est monté.
La plaque antérieure 10 sur laquelle est monté l'indicateur micrométrique 22 est séparée de l'ensemble des disques rotatifs 2 et 3 par des éléments d'écartement 17 fixés chacun par deux vis. On fait tourner relativement à la pièce 1, I'ensemble des éléments antérieurs en exerçant une poussée sur un goujon 30 retenu dans un trou du disque métallique rotatif 2 par un goujon cylindrique. Le mouvement peut tre provoqué à la main ou par un mécanisme automatique commandé suivant un certain programme et accouplé au goujon 30. Des goujons 21, limitant le mouvement de rotation, en saillie sur le côté du disque métallique rotatif 2, et un goujon d'arrt 13, en saillie sur la pièce métallique 1, ont pour effet de limiter l'amplitude du mouvement de rotation en amenant ainsi les canaux de passage intérieurs et la chambre du dispositif en face les uns des autres.
Le dispositif est représenté sur la fig. 1 en position de marche dans laquelle le goujon 21 limitant le mouvement de rotation est en contact avec le goujon d'arrt 13. Le dispositif étant dans cette position,
I'échantillon à analyser arrive, en passant par des tuyaux appropriés, au raccord d'accouplement 37, traverse les trous 43 et 42 et sort à la surface supérieure 33 de la pièce métallique 1, dans la chambre d'échantillonnage 29 qui est en face des trous 42 et 41. Le courant de l'échantillon ayant rempli la chambre 29, en sort par le trou 41 et passe dans le raccord d'échappement 36 d'où un tuyau approprié le fait arriver au point d'échappement qu'on désire.
En mme temps, un gaz porteur arrive par le raccord 35, passe par un tuyau approprié, puis par le trou 40, sort à la surface antérieure 33 de la pièce métallique 1 et arrive dans le canal fraisé 14 qui se trouve en face des trous 40 et 39, puis passe par les trous 39 et 38 pour arriver dans le raccord de sortie 34. Un tuyau approprié fait arriver le courant de gaz porteur sortant par ce point dans la colonne chromatographique et la cellule de mesure ou autre appareil, suivant l'installation dans laquelle le dispositif est utilisé, puis s'échappe.
Il est nécessaire, pour faire passer le volume de l'échantillon dans le courant du gaz porteur, de faire tourner l'ensemble des disques rotatifs en métal et matière plastique 2 et 3 dans la position de la fig. 2 dans laquelle le goujon 21 de mesure est en contact avec le goujon d'arrt 13, en faisant venir le canal fraisé 15 en face des trous 41 et 42 et la chambre d'échantillonnage 29 en face des trous 40 et 39. On fait ainsi arriver l'échantillon emprisonné dans le courant de gaz porteur qui sort alors par le trou 40 à la surface antérieure 33 de la pièce métallique 1, entraîne l'échantillon dosé en le faisant sortir par les trous 39 et 38 et par le raccord de sortie 34 et le fait arriver par un tuyau dans l'appareil d'analyse chromatographique ou autre.
Ce mme mouvement de rotation fait venir le canal fraisé 15 en face des trous 42 et 41 antérieurement recouverts par la chambre d'échantillonnage 29, en complétant ainsi la communication entre le raccord 37 d'arrivée de l'échantillon et le raccord d'échappement 36 et en permettant au courant de l'échantillon de continuer à passer.
Dans une application pratique, on se sert du dispositif décrit avec un appareil d'analyse chromatographique de façon à doser les impuretés d'un courant continu d'éther isopropylique sous une pression effective d'environ 0,35 kg/cm2 et à une température de 370 C. Le gaz porteur consiste en hélium sous une pression effective de 0,21 kg/cm2, à une température de 37 C, avec un débit de 40 cm3/minute. Le volume de la chambre d'échantillonnage est réglé à 0,1 cm3 et le mécanisme automatique de commande de l'appareil chromatographique est réglé de façon à faire passer un échantillon de 0,1 cm3 du courant d'éther isopropylique dans le courant de gaz porteur toutes les 13 minutes.
Au cours d'un essai d'une durée d'environ 60 heures, on a constaté que le courant échantillonné contenait des impuretés de 2-butène, butadiène, éthylène, anhydride carbonique et éthane en proportions comprises entre 50 et 200 parties par million. Ces impuretés sont contenues normalement dans l'éther isopropylique tel que celui qui a été échantillonné, en proportions d'environ 200 ppm.
On voit d'après l'exemple qui précède que le dispositif décrit est susceptible d'emprisonner et de transférer avec précision à plusieurs reprises des échantillons dosés de petit volume. Les dispositifs d'admission d'échantillons dont on dispose généralement dans ces applications ne peuvent pas traiter d'aussi petits volumes avec la précision permanente obtenue par le dispositif décrit qui peut servir à mesurer n'importe quel volume compris entre les limites de la capacité de la chambre d'échantillonnage et servir à mesurer des volumes beaucoup plus petits que ceux qui ont été mesurés jusqu'à présent par les dispositifs connus.
Le dispositif décrit permet de mesurer des volumes d'échantillons toujours avec la mme précision dès que le volume de la chambre variable a été réglé pour une valeur donnée. Le réglage du volume est continu entre 0 et la capacité maximale de la chambre d'échantillonnage. On peut faire fonctionner le dispositif à la main ou automatiquement au moyen des diverses sortes de mécanismes de commande dont on dispose dans l'industrie. Le dispositif est facile à nettoyer et à maintenir en bon état de fonctionnement. Il peut servir avec les liquides, gaz, vapeurs ou mélanges de fluides.