FR2589261A1 - Appareil d'interface pneumatique - Google Patents

Abstract

CET APPAREIL D'INTERFACE COMPORTE DES MOYENS PNEUMATIQUES DE COMMANDE DE DEBIT POUR CONTROLER LE NOMBRE DE MOLES D'UN GAZ CONFINE DANS UN VOLUME DE GAZ SUBSTANTIELLEMENT CONSTANT A UNE PREMIERE CHAMBRE 61 ET UNE DEUXIEME CHAMBRE 65 ISOLEES L'UNE DE L'AUTRE EN CE QUI CONCERNE L'ECOULEMENT DU FLUIDE. LE RELAIS VOLUMETRIQUE FOURNIT DANS SA DEUXIEME CHAMBRE UNE DEUXIEME PRESSION QUI PRESENTE UNE RELATION PREDETERMINEE AVEC LA PREMIERE PRESSION. UN VOLUME CONFINE SUBSTANTIELLEMENT CONSTANT EST COUPLE AVEC LES MOYENS DE COMMANDE DE DEBIT ET AVEC LE RELAIS ET LES MOYENS DE COMMANDE DE DEBIT COMPORTENT DES MOYENS POUR REGLER LE DEBIT D'ECOULEMENT DU GAZ DU VOLUME SUBSTANTIELLEMENT CONSTANT VERS UNE ZONE A PRESSION AMBIANTE.

Description

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APPAREIL D'INTERFACE PNEUMATIQUE

La commande pneumatique des systèmes de traitement est largement employée lorsque l'installation de systèmes nécessite des composants robustes, des coûts réduits, une certaine facilité d'installation et de dépannage et un haut degré de manoeuvrabilité. Parmi les exemples de ces systèmes qui se prêtent bien à la commande pneumatique, on trouve la commande de la température de dispositifs frigorifiques et de chaudières, la commande de la pression de lignes de vapeur ou d'air, la commande du débit dans les systèmes de tuyaux transportant des fluides, la commande du niveau de liquide dans les réservoirs, le contrôle du pH dans les processus chimiques, et les commandes de chauffage, de ven tilation et de climatisation. La commande pneumatique est

fréquemment employée dans les systèmes de traitement pétro-

chimiques dans lesquels des fluides inflammables sont souvent présents et peuvent être enflammés par des dispositifs de commande électriques. Pour les besoins de l'illustration, et non dans un but de limitation, l'invention est montrée et décrite en relation avec un système de chauffage, de

ventilation et de climatisation.

Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (systèmes HVAC) sont souvent utilisés dans des bâtiments pour contrôler la température d'un espace

climatisé à l'intérieur du bâtiment et dans des buts d'éco-

nomie d'énergie. Un type de système HVAC comporte une unité de traitement de l'air possédant une pluralité de modérateurs actionnés par des dispositifs de commande pour contrôler le débit d'écoulement de l'air extérieur vers le bâtiment, pour contrôler le débit de l'air évacué du bâtiment et pour diriger l'air qui est chauffé ou refroidi et que l'on fait recirculer. Les autres mécanismes associés aux unités de traitement de l'air comprennent généralement des vannes actionnées par des dispositifs de commande pour contrôler le débit d'eau réfrigérée ou chauffée dans des serpentins d'échange de chaleur disposés dans le réseau de distribution

d'air pour contrôler la température de l'air qui y circule.

Un type de dispositif de commande utilisé avec

ces unités de traitement de l'air comporte un cylindre pneu-

matique tendu par un ressort, dont le piston est couplé avec un modérateur ou une vanne. Le cylindre est connecté à une source de pression pneumatique telle qu'un réseau de bus pneumatiques formés par des tubes flexibles en polyéthylène de petit diamètre et installés dans tout le bâtiment. La commande se fait par la résolution d'algorithmes connus à l'intérieur d'un dispositif de commande pneumatique et par la génération de signaux de sortie pneumatiques analogiques

dirigés vers les cylindres.

L'arrivée relativement récente d'appareils de com-

mande numérique directe par ordinateurs, ainsi que le désir des propriétaires de bâtiments d'incorporer ces appareils à ordinateurs dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, nouveaux ou existants, employant des dispositifs de commande pneumatiques bon marché et robustes,

nécessitent l'emploi d'un système d'interface numérique-

pneumatique pour recevoir les signaux numériques de l'appa-

reil de commande et pour les traduire en signaux pneumatiques pour le positionnement de cylindres ou d'autres dispositifs de commande. Ces appareils de commande numérique directe peuvent être construits et organisés de façon à résoudre

de manière répétitive un ou plusieurs algorithmes de com-

mande connus afin de générer des signaux de commande pour le système d'interface, et, pour des raisons sans rapport avec l'invention, il est souvent préférable de disposer l'appareil de commande numérique de façon à ce qu'il délivre des signaux de commande qui ordonnent au cylindre de subir un changement calculé de sa pression plutôt que de venir dans une nouvelle position, représentée par une nouvelle pression absolue. En d'autres termes, il est souvent préfé- rable de concevoir l'appareil de commande numérique et le

système qui y est relié de telle façon que la nouvelle po-

sition qui doit être prise par un cylindre soit fonction de la durée du signal numérique de sortie de l'appareil de

commande plutôt que du changement de la pression du cylindre.

Dans les systèmes de commande pneumatique communément em-

ployés, il peut également être souhaitable que des cylindres déterminés à l'intérieur du système effectuent un déplacement complet pour des plages de pression qui peuvent différer d'un cylindre à l'autre, les plages de pression suivantes étant couramment employéees pour un déplacement complet 206,84 à 551,58 mb (3 à 8 psig), 551,58 mb à 896,32 mb (8

à 13 psig) et 896,32 à 12zt,1 mb (13 à 18 psig).

Un exemple de système d'interface utile pour com-

mander la position d'un dispositif de coimmande unique ou pour commander simultanément la position de plusieurs dispositifs de commande ayant des tailles, des plages de pression pour un déplacement complet et des charges identiques est décrit dans le brevet américain n 4 261 509. Ce système comporte

une paire d'électrovannes à deux positions actionnées élec-

triquement pour recevoir des signaux numériques et pour

contrôler le débit du fluide rentrant et sortant du dispo-

sitif de commande. Des résistances pneumatiques9 parfois

appelées étrangleurs, possédant des passages qui les traver-

sent, d'un diamètre mesurant généralement quelques centièmes de millimètres, sont disposées dans les lignes pneumatiques pour contrôler la distance de dépla3e.ment des dispositifs de commande par unité de temps, c'est-à-dire pour contrôler les pentes des courbes pression-temps des dispositifs de commande, représentant les caractéristiques de déplacement

des dispositifs de commande dans leurs deux directions de-

de déplacement.

Un autre exemple de dispositif d'interface est montré dans le brevet américain n 4 440 066, et comporte une paire d'électrovannes pour contrôler le débit de l'air s'écoulant d'une source sous pression jusqu'à une région de volume indéterminé, et de cette région jusqu'à une zone à pression ambiante. Un passage d'écoulement réglable est

présent pour contrôler le débit d'écoulement vers et à par-

tir d'un dispositif de commande qui y est relié, par exemple

un cylindre. Le brevet américain n 3 266 380 expose l'uti-

lisation d'un réservoir comme capacité d'intégration dans un dispositif de calcul pneumatique, non adapté à la commande par interface, qui admet des pressions d'entrée variables, et qui, comme l'appareil du brevet américain n 4 440 066 ci-dessus mentionné, comporte un dispositif de retour (boucle

fermée).

Si les systèmes d'interface du type ci-dessus mentionné ont jusqu'à maintenant été satisfaisants pour le positionnement de dispositifs de commande, ils n'en sont

pas moins caractérisés par certains inconvénients. Par exem-

ple, lorsque l'on utilise des étrangleurs pour contrôler

les caractéristiques de déplacement d'un dispositif de com-

mande unique ou d'un groupe de dispositifs de commande ayant des tailles, des plages de ressort et des charges identiques,

les tailles des passages des étrangleurs doivent être déter-

minées par expérimentation sur le site d'installation. Ceci est dO au fait que les temps de déplacement des dispositifs de commande sont dépendants de la taille, de la plage de ressort et de la charge des dispositifs de commande, et du volume de fluide renfermé à l'intérieur du dispositif de commande et des interconnexions pneumatiques. Ces paramètres sont souvent difficiles ou impossibles à déterminer avant l'installation effective. Si le système de chauffage, de ventilation et de climatisation nécessite un séquencement des dispositifs de commande et comporte des dispositifs de

commande ayant des tailles volumétriques, des plages de res-

sort et/ou des charges différentes, le système présentera des caractéristiques de gain fortement non linéaires, et le problème de la commande sera par conséquent rendu encore plus compliqué. Si l'on utilise le système d'interface du

brevet américain n 4 261 509 ci-dessus mentionné, par exem-

ple, et si l'on suppose qu'il faut commander une pluralité de dispositifs de commande configurés différemment et con-

nectés en parallèle, le pourcentage de changement de posi-

tion sera différent pour chaque dispositif de commande pour un temps donné pendant lequel une électrovanne est actionnée afin d'introduire un fluide dans les dispositifs de commande ou afin d'en évacuer un fluide. Ceci résulte du fait qu'un changement dans le volume de fluide contenu par un dispositif de commande affectera la distance de déplacement par unité de temps des autres dispositifs de commande selon l'équation caractéristique d'un gaz parfait. Si des étrangleurs sont sélectionnés pour contrôler le temps de déplacement d'un petit dispositif de commande avec une faible charge, par exemple, la réponse du système sera beaucoup trop lente pour positionner des dispositifs de commande plus grands ou chargés plus lourdement. Par contre, si des étrangleurs sont sélectionnés pour la commande correcte de dispositifs

de commande de ce dernier type, il peut se produire des ins-

tabilités du système. Même si l'on installe un dispositif appelé positionneur pilote sur certains des dispositifs de commande ou sur la totalité d'entre eux, la sélection des étrangleurs devra quand même être faite par expérimentation sur le terrain ou par mesure et par calcul du volume de fluide comprimé contenu à l'intérieur des interconnexions pneumatiques et des chambres de compression des positionneurs pilotes.

Un autre inconvénient des systèmes du type ci-

dessus mentionné est qu'ils peuvent être sujets à des fuites de fluide pneumatique significatives. Par exemple, chaque connexion pneumatique de tubes de 6,35 mm a en moyenne un débit de fuite approximatif de 1,639 ml/min(0,1 pouce cube par minute) sous une pression de 1379 mb (20 psig), alors qu'un positionneur pilote caractéristique a un débit de fuite de 4, 916 ml/min(0,3 pouce cube/min).Dans un système

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comportant un réservoir à volume constant, dans lequel le système contient un volume de fluide relativement réduit

et/ou un grand nombre de points de connexion et de position-

neurs pilotes, les changements de la pression de commande dus à des fuites dans le système et pendant le temps situé entre les moments de mesure des paramètres, par exemple entre

les moments de mesure de la température d'un espace clima-

tisé, seraient beaucoup trop importants.

Par conséquent, un système d'interface permettant la présélection des tailles des passages des étrangleurs indépendamment de la configuration du bus pneumatique et des dispositifs de commande concernés, pouvant être utilisé pour commander des dispositifs de commande ayant une grande diversité de volumes de fluide renfermés et pouvant avoir un dispositif de réglage permettant son utilisation avec des dispositifs de commande pouvant fonctionner sur l'une quelconque de plusieurs plages de pression représenterait

une avance significative par rapport à la technique existante.

En général, l'appareil d'interface de la présente invention comporte des moyens pneumatiques de commande de débit pour contrôler le nombre de moles d'un gaz confiné

dans un volume de gaz substantiellement constant à une pre-

mière pression. Un relais volumétrique possède une première chambre couplée avec les moyens de commande par le volume de gaz confiné et une deuxième chambre pour le couplage

avec un dispositif de commande pneumatique devant être com-

mandé en position, la première chambre et la deuxième chambre

étant isolées d'une de l'autre en ce qui concerne l'écoule-

ment du fluide. Le relais volumétrique fournit dans sa

deuxième chambre une deuxième pression qui présente une re-

lation prédéterminée avec la première pression. Des moyens

ayant un volume confiné substantiellement constant sont in-

terposés entre les moyens de commande de débit et le relais

et coopèrent avec les moyens de commande de débit pour dé-

terminer les pentes des courbes pression-temps du dispositif 7 z2589261

de commande. Les moyens de commande de débit peuvent compor-

ter des moyens pour régler le débit d'écoulement du gaz du volume substantiellement constant vers une zone à pression ambiante.

Un objet de l'invention est de procurer un appa-

reil d'interface nouveau et amélioré pour positionner des

dispositifs de commande pneumatiques qui élimine les incon-

vénients de la technique existante.

Un autre objet de l'invention est de procurer un

appareil d'interface qui permette la présélection d'étran-

gleurs de commande de débit.

Un autre objet de l'invention est encore de pro-

curer un appareil d'interface qui assure des caractéristiques de positionnement des dispositifs de commande qui soient indépendantes de la taille ou du nombre des dispositifs de

commande connectés sur celui-ci.

Un autre objet de la présente invention est égale-

ment de procurer un appareil d'interface qui puisse comporter des moyens pour régler la plage du débit d'écoulement d'un gaz d'un volume confiné substantiellement constant vers une

zone à pression ambiante.

Un autre objet de la présente invention est de procurer un appareil d'interface qui soit utilisable avec des appareils de commande numérique directe0 Un autre objet de la présente invention est encore de procurer un appareil d'interface pneumatique qui résulte dans le déplacement d'un cylindre de commande jusqu'à une nouvelle position qui soit une fonction calculée à partir de la durée d'un signal numérique venant d'un appareil de commande numérique directe. La façon dont sont accomplis ces objets de l'invention, ainsi que d'autres, ressortira

de façon plus évidente de la description détaillée de celle-

ci, considérée avec les dessins joints.

La Figure 1 est une représentation graphique des caractéristiques décrites d'augmentation et de chute de la

pression à l'intérieur d'un volume de gaz confiné substan-

tiellement constant;

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la Figure 2 est une représentation schématique simplifiée montrant l'appareil d'interface de la présente invention en liaison avec un exemple de système de commande de traitement comportant une unité de traitement de l'air; la Figure 3 est un schéma de principe d'une pre- mière réalisation de l'appareil d'interface montré en Figure 2, certaines parties étant représentées en coupe et d'autres parties étant représentées en entier; la Figure 4 est un schéma de principe d'une deuxième réalisation de l'appareil d'interface de la Figure 2 avec

des parties représentées partiellement, des parties repré-

sentées en coupe et d'autres parties représentées en entier; la Figure 5 est une vue en coupe transversale de la partie de relais volumétrique de l'appareil d'interface prise dans le plan 5-5 de la Figure 3 et dont certaines parties sont montrées en vue externe; la Figure 6 est une vue en plan de dessus d'une réalisation commerciale de l'appareil de l'invention; la Figure 7 est une vue en élévation de côté de l'appareil de la Figure 6, prise le long du plan 7-7 de celle-ci, avec des parties montrées en coupe et d'autres parties montrées en vue externe; la Figure 8 est une vue en plan de dessus du levier flexible de l'appareil de la Figure 7; la Figure 9 est une vue en élévation de côté du levier de la Figure 8, prise le long du plan 9-9 de celle-ci; la Figure 10 est une vue en élévation de côté,

en coupe, de la plaque centrale de l'appareil avec des par-

ties rajoutées en vue éclatée; et

la Figure 11 est un schéma électrique de l'appa-

reil. La compréhension de l'invention sera facilitée par une explication de la loi sur les gaz applicable, et,

dans le domaine de la physique appliquée, on exprime l'équa-

tion caractéristique d'un gaz parfait sous cette forme: pV = nRT dans laquelle: p = pression d'un gaz dans un volume ou récipient de confinement substantiellement rigide; V = volume confiné du récipient; n = nombre de moles de gaz à l'intérieur du récipient; R = constante universelle des gaz; et T = température du gaz en K. Il ressort de façon claire de l'équation que si la température du gaz confiné dans le récipient est maintenue constante, ce qui est une supposition raisonnable pour cette analyse, et si le volume du récipient demeure inchangé, la pression du gaz aura une relation directe avec le nombre de

moles du gaz confiné à l'intérieur du récipient.

La compréhension de l'invention sera également facilitée par la référence au graphique de la Figure 1 qui représente les caractéristiques d'augmentation et de chute

de la pression gazeuse valables dans un volume de gaz con-

finé et substantiellement constant. La courbe A représente la caractéristique d'augmentation de la pression par rapport au temps lorsque qu'un gaz est introduit dans le volume confiné à partir d'une source à pression constante, de

1379 mb (20 psig), par exemple, et par un passage de limi-

tation du débit déterminé. On suppose que la pression mano-

métrique initiale dans le volume est de O mb. La courbe B représente la caractéristique de chute de la pression par rapport au temps lorsque le gaz comprimé dans le volume est autorisé à être évacué du volume vers une zone à pression

ambiante, par exemple vers une zone sous une pression mano-

métrique de O mb, l'évacuation se faisant par un passage de limitation du débit de taille déterminée. La commande de l'écoulement du gaz de et vers le volume peut être assurée par une paire d'électrovannes à deux positions normalement

fermées.

Les courbes A et B n'étant linéaires ni l'une ni ni l'autre, il est clair que si l'on désire actionner un cylindre sur la plage C de 206,84 à 551, 58 mb (3 à 8 psig), par exemple, la partie globalement linéaire de la courbe A qui se trouve dans la plage C a une pente qui est extrêmement différente de celle de la partie légèrement en arc de la courbe B qui est située dans la plage C, lorsque l'on ignore les signes algébriques des pentes. Par conséquent, avec une pression de cylindre située à l'intérieur de la plage C et augmentant le long de la courbe A, la valeur du changement de la pression par unité de temps est différente de celle d'une pression de cylindre décroissant le long de la courbe B et à l'intérieur de la plage C. Cela peut produire un résultat inacceptable si l'on souhaite que le cylindre soit commandé par des signaux issus d'un appareil de commande numérique avec lequel le positionnement du cylindre se fasse de préférence par une durée de signal calculée, plutôt que par la mesure de changements de la pression ou par d'autres moyens. D'autre part, les pentes des courbes A et B dans

la plage D de 551,58 à 896,32 mb (8 à 13 psig) sont substan-

tiellement égales l'une à l'autre si l'on ignore leurs signes

algébriques, ce qui démontre que le passage particulier uti-

lisé dans le système sur lequel sont basées les courbes serait vraisemblablement satisfaisant pour le fonctionnement du cylindre avec un appareil de commande numérique dans la

plage de 551,58 à 896,32 mb (8 à13 psig).

Si l'on se réfère ensuite à la Figure 2, l'appa-

reil d'interface 10 de la présente invention est montré en relation avec un exemple de système de commande de traitement comportant une unité de traitement de l'air 11 disposée de façon à communiquer en ce qui concerne l'écoulement du fluide avec un espace 12 à climatiser. L'unité de traitement de l'air 11 comporte une canalisation d'entrée 13 pour introduire de l'air ambiant extérieur dans l'espace 12, une canalisation d'évacuation 14 pour en évacuer l'air, et une canalisation de retour 14a connectée transveralement couplée entre la canalisation d'entrée 13 et la canalisation d'évacuation

14. Des ventilateurs 15 sont présents pour produire un dé-

placement d'air forcé. Chaque canalisation 13, 14, 14a com-

porte un modérateur mobile 16 disposé à l'intérieur de celle-

ci pour contrôler l'écoulement de l'air qui la traverse. La canalisation d'entrée 13 comporte également un serpentin de refroidissement de l'air 17 qui est traversé par de l'eau réfrigérée et un serpentin de chauffage de l'air 18 qui est traversé par de l'eau chaude ou de la vapeur, les serpentins 17, 18 étant fournis pour contrôler la température de l'air

qui est introduit dans l'espace 12. Une vanne d'eau réfri-

gérée 19 et une vanne d'eau chaude 20 sont couplées au ser-

pentin de refroidissement 17 et au serpentin de chauffage 18, respectivement, pour moduler le débit d'écoulement des liquides dans les serpentins. L'unlté de traitement de lPair 11 comporte également des transducteurs pneumatiques pour convertir des signaux dans un autre état d'énergie, d'un signal pneumatique à un signal électrique ou mécanique, par exemple. A titre d'illustration, ces transducteurs peuvent comporter une pluralité de dispositifs de commande ou de cylindres pneumatiques 21, chaque dispositff de commande étant couplé mécaniquement avec son modérateur 16 ou sa

vanné 20 associés afin de pouvoir commander le positionne-

ment de ceux-ci. Les transducteurs 21 peuvent être couplés

à un bus pneumatique (non représenté) qui fournit une pres-

sion pneumatique commandée pour positionner les dispositifs

de commande 21 et les modérateurs 16 et la vanne 20 associés.

Un appareil de commande numérique directe du système 27 est couplé à un dispositif de communication des paramètres, tel qu'un thermostat 29, de façon à recevoir des signaux de

celui-ci. L'appareil de commande du système 27 prélève pé-

riodiquement un paramètre du système, par exemple la tempé-

rature de l'espace transmise par le thermostat 29, la com-

pare avec la valeur de référence de la température intro-

duite et établie à l'intérieur de la base de données de son ordinateur, représentée symboliquement par la flèche 31, résout numériquement un algorithme de commande et génère

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des signaux de commande électroniques numériques pour com-

mander une position de transducteur. Pour les besoins de l'illustration, l'invention sera décrite en relation avec un cylindre pneumatique 25 connecté à l'appareil 10 par un bus pneumatique 26, et on doit considérer que la température n'est qu'un seul de plusieurs paramètres possibles du système de traitement, dont la commande sera facilitée par l'appareil d'interface 10 de l'invention, et on appréciera le fait que ce dernier est utilisable dans des systèmes pour commander des traitements partout o des transducteurs pneumatiques

sont employés pour la commande des paramètres.

Si l'on se réfère ensuite aux Figures 2 et 3, une

première réalisation de l'appareil d'interface 10 est con-

nectée à un exemple de transducteur pneumatique comportant le cylindre 25 positionné pneumatiquement, tendu par un ressort, couplé avec un modérateur à air pivotant 16 pour la commande du positionnement de celuici. L'appareil 10 comporte des moyens pneumatiques de commande du débit 33 qui peuvent être couplés à une première source 35 de fluide comprimé, telle qu'un compresseur à air réglé sur une pression

régulée, couplée à la première extrémité 37 d'un bus pneuma-

tique 38 dont la deuxième extrémité 39 est ouverte pour une libre évacuation du fluide dans l'atmosphère. Bien que la

pression régulée puisse être choisie en fonction des carac-

téristiques des différents composants couplés sur celle-ci, une pression de la source de 1379 mb (20 psig) environ est courante pour la commande du traitement de systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Une paire

d'électrovannes normalement fermées, commandées électrique-

ment, comportant une première vanne d'entrée 41 et une deuxième vanne d'évacuation 43, est disposée en série pour

commander l'écoulement de fluide comprimé de et vers le vo-

lume ou récipient confiné substantiellement constant 45 connecté entre celles-ci. Les électro-aimants de commande

de la première vanne 41 et de la deuxième vanne 43 ont cha-

cun leurs conducteurs électriques 47 couplés à l'appareil

de commande 27 du système pour recevoir des signaux de com-

mande de celui-ci. Les moyens pneumatiques de commande du débit 33 comportent également une pluralité d'étrangleurs comprenant un premier étrangleur 49 disposé dans le bus au voisinage de la première vanne 41 et des deuxième, troisième et quatrième étrangleurs 51, 53, 55, respectivement, disposés dans l'extrémité 39 voisine de la deuxième vanne 43. Chaque étrangleur 49, 51, 53, 55 possède un passage ou orifice

longitudinal 57 le traversant pour contrOler le débit d'écou-

lement de gaz comprimé de ou vers le volume confiné 45.

Lorsque la première vanne 41 est actionnée, le premier étran-

gleur 49 va permettre au fluide de s'écouler de façon res-

treinte de la source 35 au volume confiné 45, alors que la commande de la deuxième vanne 43 va permettre au fluide d'être évacué du volume confiné 45 à travers le deuxième étrangleur 51, à travers le troisième étrangleur 53 et/ou

le quatrième étrangleur 55, et de là dans l'atmosphère.

Les étrangleurs 53 et 55 peuvent être choisis de façon à

présenter des tailles de passages fixes qui soient substan-

tiellement identiques ou qui diffèrent l'une de l'autre de

façon à offrir la souplesse souhaitée dans l'application.

Les étrangleurs 53 et 55 peuvent être remplacés par un étran-

gleur réglable à vernier en aval de l'électrovanne 43, mais cette disposition nécessite en principe une calibration en usine ou sur le terrain, ce qui représente une procédure pouvant être coûteuse. Les étrangleurs 53, 55 présentant des tailles de passages fixes peuvent être installés en

permanence ou être du type en bouchon enfichable et amovible.

Dans une autre possibilité de réalisation, l'appareil 10 peut également être réalisé de telle sorte que la deuxième extrémité 39 ne comporte qu'un seul point d'évacuation (non représenté) possédant un étrangleur unique, par exemple

l'étrangleur 53, fixé à l'intérieur de celui-ci.

La commande sélective de la première vanne 41 ou de la deuxième vanne 43 facilite donc la régulation d'une première pression à l'intérieur du volume confiné 45. Lorsque ni la vanne 41, ni la vanne 43 ne sont actionnées, la pression dans le volume 45 reste substantiellement constante, pour des raisons exposées plus en détail ci-dessous. On appréciera le fait que l'appareil d'interface 10 peut fonctionner aussi bien avec un étrangleur 49, 51 situé du côté amont que du côté aval de sa vanne associée 41, 43 dans le bus 38, et que les emplacements d'étrangleurs indiqués le sont simplement

à titre illustratif.

Si l'on se réfère aux Figures 3 et 5, les moyens pneumatiques de commande de débit 33 sont couplés par un bus pneumatique 59 à la première chambred'entrée 61 d'un relais volumétrique 63, dont la deuxième chambre de sortie est couplée par un bus de sortie 67 à un ou à plusieurs

transducteurs à positionner, tels que le transducteur 25.

Une deuxième source 69 de gaz comprimé sous une pression substantiellement constante, par exemple 1379 mb (20 psig), est rattachée à la deuxième chambre 65 pour servir de moyen d'actionnement pneumatique pour le transducteur 25. Le relais volumétrique 63 comporte un diaphragme élastique 71 disposé entre la première chambre 61 et la deuxième chambre 65 pour maintenir les chambres 61, 65 isolées l'une de l'autre en ce qui concerne l'écoulement du fluide. Le relais volumétrique 63 est conçu et construit de telle sorte que la pression dans la deuxième chambre de sortie 65, et, par conséquent, dans le bus de sortie 67 et dans le transducteur 25, aient une relation prédéterminée avec la pression dans la première chambre d'entrée 61, quels que soient les changements de

cette dernière.

Le relais volumétrique 63 est de préférence conçu et construit de telle sorte que la pression dans la chambre de sortie 65 conserve une relation prédéterminée avec celle de la chambre d'entrée 61. Pour des raisons de simplicité dans la construction du relais et de facilité d'installation, d'essais et de dépannage, on préfère que cette relation soit linéaire et de rapport 1 sur 1. On notera également que bien

que la flexion du diaphragme 71 provoque de faibles change-

ments momentanés du volume de gaz défini par la première chambre 61, ces changements sont très réduits et n'ont pas d'effet significatif sur les caractéristiques de l'appareil

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d'interface 10. On remarquera que dans la première réalisa-

tion de la Figure 3, le volume confiné 45 est celui qui est renfermé par la première chambre 61 du relais volumétrique

63 et la partie des bus 38, 59 qui est à droite des électro-

vannes 41, 43 sur la Figure 3. D'autres détails d'un type

de relais volumétrique 63 utilisable dans la présente inven-

tion sont montrés et décrits dans le brevet américain

nO 4 207 914 qui est incorporé ici à titre de référence.

Une deuxième réalisation de l'appareil d'interface 10 est partiellement montrée en Figure 4, et ne diffère de la première réalisation qu'en ce qu'un réservoir 73 est connecté en communication avec le bus 59 en ce qui concerne l'écoulement du fluide. La dimension volumétrique du volume confiné 45, ou composante "V" de l'équation des gaz parfaits, peut 4tre représentée par le volume confiné complexe 45 comme décrit dans la première réalisation, ou, comme montré en Figure 4, le volume complexe 45 peut inclure en plus celui confiné par le réservoir 73 couplé en parallèle avec

le bus, comme représenté, ou en série avec lui.

On doit comprendre que l'appareil d'interface 10 peut être facilement configuré en utilisant des composants de tubes, de connecteurs, d'étrangleurs, de vannes et de

relais volumétrique existants. Cependant, lorsque des quan-

tités de production plus élevées sont assurées, les compo-

sants peuvent être réunis dans une structure unique possé-

dant des passages hydrauliques et un volume confiné 45 creu-

sés ou formés d'une autre façon à l'intérieur de celle-ci.

Bien que les investissement d'outillage et de conception soient nécessairement accrus avec cette dernière approche,

les coûts de construction seront sensiblement réduits.

Lorsque l'on choisit la dimension volumétrique

du volume confiné 45, il est préférable de prendre en con-

sidération plusieurs paramètres théoriques choisis en fonc-

tion de l'équation caractéristique d'un gaz parfait mention-

née précédemment. L'un de ces paramètres est la valeur du volume fonctionnel de gaz comprimé défini à l'intérieur de

cette partie de l'appareil d'interface 10 et maintenu sub-

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stantiellement constant. Le volume fonctionnel est le volume

total 45 de gaz comprimé confiné comme décrit dans la pre-

mière réalisation, confiné à l'intérieur de tout réservoir 73 employé et à l'intérieur de la première chambre 61, pris conjointement avec le volume de tout gaz parasite. Le gaz parasite est celui qui se trouve dans les parties des moyens de commande de débit 33 situées entre un étrangleur 49 ou

51 et son électrovanne associée 41 ou 43, respectivement.

Si les vannes 41, 43 sont construites avec des étrangleurs

incorporés à celles-ci, ce volume parasite peut être prati-

quement éiTminâ Un autre paramètre de conception à consi-

dérer est que chacun des passages 57 dans les étrangleurs 49, 51, 53, 55 devra avoir en pratique un diamètre minimal,

de l'ordre de 0,127 mm en moyenne, afin d'éviter l'obstruc-

tion du passage par de petites particules entraînées dans le gaz et afin de permettre la fabrication des étrangleurs 49, 51, 53, 55 au moyen de techniques conventionnelles à un faible coût. Un autre paramètre à reconnaître également est le débit de fuite, s'il existe, des points de connexions pneumatiques représentés. Ce débit de fuite peut être réduit jusqu'à une valeur très faible ou entièrement éliminé en noyant l'appareil d'interface 10 dans un composé imperméable aux gaz après le montage. Un autre paramètre à reconnaitre également est les pentes désirées des courbes A, B qui vont

résulter de la commande de chacune des vannes 41, 43.

Dans le cas d'un appareil d'interface 10 ayant des points de connexion caractérisés par des fuites faibles mais décelables, la taille minimale du volume confiné 45

devra de préférence être telle qu'elle résulte en un chan-

gement de pression dans le gaz contenu à l'intérieur du

volume confiné 45 inférieur à 1% environ pendant l'inter-

valle de temps maximal durant lequel l'appareil 10 sera maintenu dans un état de repos pendant lequel ni la vanne 41 ni la vanne 43 ne seront actionnnées. Cela constitue normalement l'intervalle de temps maximal entre les instants consécutifs lors desquels l'appareil de commande du système 27 prélève un paramètre, par exemple un signal de température,

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et génère des ordres de correction. Pour une précision op-

timale du positionnement du cylindre sur des périodes de fonctionnement étendues, il est préférable que ce changement de pression soit limité à la moitié de 1%, ou moins. Si l'appareil d'interface 10 est enrobé pour éliminer complè- tement les fuites des connexions, le paramètre déterminant pour la sélection du contenu minimal du volume confiné 45 devient les pentes maximales souhaitées pour les courbes A, B, calculées en fonction de l'équation mentionnée plus haut et des tailles de passages minimales disponibles ou que l'on souhaite utiliser. On appréciera également le fait que

l'un des aspects de l'appareil 10 est un dispositif de ré-

glage qui permet de sélectionner une pente pour une partie particulière de la courbe A qui coincide avec la pente d'une partie de la courbe B, si l'on ignore leurs signes algébriques. Dans une réalisation de l'invention, on a utilisé de courtes longueurs de tuyaux ayant un diamètre intérieur de 1,588 mm et un volume confiné total de 1,311 cm3 environ

pour connecter les électrovannes 41, 43, un relais volumé-

trique 63 ayant une première chambre d'un volume de 2,13 cm3 environ, et un réservoir 73, tous étant configurés selon la Figure 4. De plus, les volumes parasites de gaz comprimé totalisent environ 0,09832 cm3. Pour une première source de pression 35 régulée à une pression de 1379 mb (20 psig), un passage du premier étrangleur 49 ajusté à un diamètre calculé de 0,1072 mm et un passage du deuxième étrangleur 51 ajusté à un diamètre calculé de 0,123 mm, on a choisi un contenu du volume de 39,33 cm3, et celui-ci a assuré une excellente précision du système pour des instants de mesure de la température espacés les uns des autres de

trois minutes environ.

Si l'on se réfère ensuite aux Figures 3, 5, 6 et 7, une réalisation commerciale de l'appareil 10 est montrée, comportant un capot globalement cylindrique 75, un corps supérieur 77, une plaque centrale 79 et un corps inférieur 81. Les corps 77, 81, la plaque 79 et les autres pièces

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disposées à l'intérieur de ceux-ci sont formées les unes par rapport aux autres de façon à fonctionner comme le relais volumétrique 63 montré en Figure 5. Une connexion centrale cannelée 83 est présente pour la connexion d'une source d'air 69 sous une pression substantiellement cons-

tante (Figure 3), tandis qu'un connecteur disposé radiale-

ment (non représenté) est fourni pour la connexion sur le bus de sortie 67 et le cylindre 25 de la Figure 3. La plaque 79 et le corps 81 sont intérieurement configurés de telle sorte que la source 69 peut également remplacer la source de la Figure 3, l'alimentation de la première vanne d'entrée se faisant par l'intermédiaire d'un petit filtre 85. La première vanne d'entrée 41 et la deuxième vanne d'évacuation 43 sont construites de façon similaire, et seule la première vanne d'entrée 41 sera décrite en détail. Si l'on se réfère également aux Figures 8 et 9, la première vanne d'entrée 41 comporte un électro-aimant d'entrée 87, une buse de commande 89 et un prolongement 91 d'un levier flexible 93 qui est disposé entre l'électro-aimant 87 et la buse 89 pour faire passer de l'air de façon contrôlable dans cette dernière. La buse de commande 89 comporte une section supérieure tronconique 95 et possède un passage longitudinal 97 qui la traverse et qui est muni d'un passage

* de commande 99. Dans la réalisation préférée, et contraire-

ment aux passages en plastique 49, 51, 53, 55 plus communs, ayant l'ouverture minimale moyenne précédemment décrite qui les traverse, le passage 99 est formé de saphir et a une ouverture nominale de 0,0762 mm qui le traverse. En utilisant un passage de ce type, dans lequel l'air peut s'écouler

relativement lentement, la taille physique du volume sub-

stantiellement constant 45 peut être réduite.

Si l'on se réfère plus particulièrement aux Figures 8, 9 et 10, un levier flexible 93 est montré, comportant un premier prolongement 91 et un deuxième prolongement 101, chaque prolongement 91, 101 étant légèrement mobile vers

le haut lorsque son électro-aimant associé est alimenté.

Chaque prolongement 91, 101 comporte un élément d'armature ferreux 103 et un bouton de soupape inférieur 105. Dans une réalisation préférée, le bouton 105 est réalisé sous la

forme d'une boite globalement cylindrique 107 afin de conte-

nir un matériau d'obturation élastique 109, la boite 107 ayant une ouverture inférieure 111 qui la traverse pour permet- tre au matériau 109 de venir en contact direct avec la section de cône 95. Le levier 93 comporte une ouverture centrale 113 pour recevoir le prolongement du montant d'assemblage 115 du corps supérieur 77. Si l'on se réfère plus particulièrement à la Figure 10, on préfère que le montant d'assemblage 117 et son prolongement 115 définissent entre eux un rebord 119

présentant une surface inclinée, 4 étant un angle d'incli-

naison préféré. Un bloc de verrouillage préféré 121 a un diamètre intérieur suffisamment plus grand que le diamètre extérieur du prolongement 115 pour s'adapter librement sur celui-ci et définir entre eux un petit espace annulaires Le périmètre extérieur du bloc de verrouillage 121 définit un rectangle dont la dimension entre les bords opposés est de préférence légèrement inférieure au diamètre du montant

117, tandis que le rebord inférieur 123 du bloc de verrouil-

lage 121 est chanfreiné à un angle nominal, légèrement supé-

rieur à celui du rebord 119, de 10 . Lorsqu'il est formé de cette façon, on aura deux arêtes de contact entre le rebord 123 du bloc de verrouillage 121 et le levier 93, et une légère force descendante sera par conséquent exercée sur les prolongement 91, 101, maintenant ainsi les vannes

41, 43 fermées en absence d'alimentation des électro-aimants.

Une fine cale d'espacement (non représentée) peut être intercalée lors du montage entre chaque électro-aimant, par exemple l'électro-aimant 87, et son prolongement associé 91, de façon à créer un mince film d'air garantissant une bonne fermeture des vannes, par exemple de la vanne 41, lorsque l'électro-aimant 87 n'est plus alimenté. La cale

est ensuite retirée.

Si l'on se réfère à nouveau aux Figures 3, 4 et

7, dans une réalisation préférée, le volume substantielle-

ment constant 45 d'air peut être le volume 45' qui est

confiné entre le corps supérieur 77 et le capot 75. La réa-

lisation de cette façon du volume 45' élimine la nécessité d'inclure un réservoir d'air séparé 73 et permet certaines économies de fabrication et de taille. Comme montré en Figure 6, l'appareil 10 peut Atre convenablement construit de façon à comporter une paire de pattes de fixation 125 dimensionnées et disposées de façon à s'accrocher sur les rebords d'une glissière de montage par encliquetage (non représentée)

dans un but de facilité de montage et d'entretien.

Si l'on se réfère ensuite aux Figures 2 et 11, le circuit électrique de l'appareil préféré 10 peut être conçu avec des diodes 127, comme montré, de sorte que soit

l'électro-aimant d'entrée 87, soit l'électro-aimant d'éva-

cuation 129, puisse être alimenté à partir d'un appareil de commande numérique directe 27 employant des signaux

continus de polarité inverse.

Si l'on se réfère aux figures, et dans le fonc-

tionnement, l'appareil de commande numérique 27 du système prélève un signal représentant un paramètre à commander, comme le signal venant du thermostat 29 représentant la température réelle de l'espace, le compare avec la valeur

de référence désirée de la température dans la base de don-

nées, résout un algorithmeprédéterminé et génère un signal de commande numérique pour actionner soit la première vanne 41, soit la deuxième vanne 43. Lors de l'ouverture de la première vanne 41, du gaz comprimé va s'écouler depuis la

source 35 ou 69, selon la réalisation, par le premier étran-

gleur 49 ou passage 99, et la pression à l'intérieur du volume confiné 45 ou 45' va augmenter d'une valeur par unité de temps déterminée par les paramètres choisis comme décrit ci-dessus. La pression dans la première chambre 61 va donc être telle qu'elle dépassera celle dans la deuxième chambre 65, ce qui provoque le fléchissement du diaphragme 71 vers la droite sur la Figure 5. La partie d'extrémité du piston 131 rencontrant la bille de contrôle 133 fera

quitter à la bille 133 le rebord d'étanchéité 135, provo-

quant par conséquent l'ouverture de la vanne de contrôle, la surface de l'ouverture étant généralement proportionnelle au degré de fléchissement du diaphragme. L'air comprimé de

la source 69 va donc pouvoir s'écouler par la vanne de con-

trôle jusqu'à la deuxième chambre 65, au bus de sortie 67 et au transducteur 25, jusqu'à ce que la pression dans la

deuxième chambre 65 atteigne la valeur indiquée par le rap-

port caractéristique du relais 63, c'est-à-dire ici 1 sur 1. Le diaphragme 71 reprend alors sa position d'équilibre

et la bille de contrôle 133 revient à sa position d'obtura-

tion sur le rebord 135. Toute fuite de gaz comprimé dans les connexions du bus de sortie 67 sera détectée par le

relais volumétrique 63 qui fonctionnera comme décrit ci-des-

sus de façon à maintenir l'équilibre des pressions.

De même, lorsque la deuxième vanne 43 est actionnée, le gaz comprimé dans le volume confiné, 45, 45', est évacué de façon contrôlable par le deuxième étrangleur 51 et par un ou plusieurs étrangleurs 53, 55, ou comme décrit plus en détail ci-dessous, dans l'air ambiant atmosphérique. La pression dans l'appareil d'interface 10 va par conséquent décroître à une vitesse prédéterminée et la différence de pression qui en résultera entre la deuxième chambre 65 et

la première chambre 61 provoquera le fléchissement du dia-

phragme 71 vers la gauche sur la Figure 5. Le mouvement du

diaphragme va permettre l'ouverture du passage 137 et l'éva-

cuation contrôlable du gaz comprimé dans la deuxième chambre

, le bus de sortie 67 et le transducteur 25, afin de rame-

ner à nouveau les pressions de la première chambre 61 et de la deuxième chambre 65 dans leur relation d'équilibre, après quoi le diaphragme 71 se déplacera à nouveau pour

fermer le passage 137.

On appréciera à partir de ce qui précède que dans les réalisations de l'appareil 10 montrées dans les Figures 3 et 4, la taille des passages 57 dans les étrangleurs 53,

, et la valeur du volume confiné 45 peuvent être prédéter-

minées. Par conséquent, on peut choisir des étrangleurs 53 et/ou ayant des tailles de passages qui égalisent les pentes (sans considération du signe) des parties de courbes A et

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B dans lesquelles on désire faire fonctionner un cylindre ou un groupe de cylindres particuliers, par exemple les

parties situées entre 206,84 et 551,58 mb (3 à 8 psig).

Si l'un des étrangleurs 53 ou 55 n'est pas utilisé, on peut tout simplement le boucher. Dans la réalisation de la Figure 7, le problème du choix des étrangleurs d'évacuation est de préférence résolu en fournissant un étrangleur enfichable et amovible 139 qui est dimensionné de façon à s'adapter

par glissement dans le corps inférieur, en relation de scel-

lement avec celui-ci. Le volume d'air complexe confiné dans le volume 45' et la chambre 61 pouvant être prédéterminé au moment de la conception et de la fabrication, l'appareil peut être fourni avec une pluralité d'étrangleurs 139,

de préférence trois pour une application de chauffage, ven-

tilation et climatisation caractéristique, chacun d'entre eux ayant un passage avec une surface de section tranversale différente afin de produire des courbes A et B ayant des pentes substantiellement égales pour la plage de pression, par exemple de 206,84 à 551,58 mb (3 à 8 psig), de 551,58 à 896,32 mb (8 à 13 psig), ou de 896,32 à 1241,1 mb (13 à 18 psig) à l'intérieur de laquelle on souhaite faire fonctionner

le cylindre 25.

La capacité de débit volumétrique de fluide mini-

male des sources 35 et/ou 69 et la capacité de débit d'écou-

lement gazeux du relais 63 peuvent être déterminées d'une

façon connue, et, dans une réalisation préférée, ces capa-

cités de débit volumétrique et de débit d'écoulement sont choisies de telle sorte que la pression dans la deuxième chambre 65 et le bus de sortie 67 coincide avec celle de la première chambre 61 sans temps de retard appréciable entre celles-ci. De plus, et dans le cas des réalisations des Figures 3 et 4, il est préférable que la pression régulée de la deuxième source 69 soit très proche de celle de la

première source 35.

On appréciera le fait que l'appareil d'interface

, lorsqu'il est construit selon les enseignements de l'in-

vention, va founir au cylindre du transducteur 25 une pression qui est fonction de la durée du signal appliqué sur l'une des vannes 41, 43 par l'appareil de commande 27, et que ce

résultat est atteint sans employer de contrôle de rétroaction.

Par conséquent, la pression du cylindre ne sera pas affectée par la longueur du bus 67 utilisé pour connecter le trans-

ducteur 25 au relais volumétrique 63, ni par le fonctionne-

ment du cylindre 25 lui-même, dont le volume renfermé change

tout au long de son déplacement. Grâce à l'utilisation sélec-

tive d'étrangleurs 53 et/ou 55, ou grâce au choix d'un étran-

gleur 139 approprié dans la réalisation de la Figure 7, la pente des parties opérationnelles des courbes peut également

être ajustée à l'application.

Bien que l'on n'ait illustré et décrit qu'un petit nombre de réalisations de l'invention, elle ne doit pas être limitée par celles-ci mais uniquement par l'étendue de

l'applicabilité des revendications jointes.

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Claims (3)

Revendications

1. Appareil d'interface pneumatique pour la commande de systèmes de traitement, caractérisé par le fait qu'il comporte: des moyens pneumatiques (33) de commande de débit pour contrôler le nombre de moles d'un gaz confiné dans un volume de gaz substantiellement constant à une première pression; un relais volumétrique (63) possédant une première chambre (61) couplée avec lesdits moyens de commande par un bus pneumatique (59) et possédant de plus une deuxième

chambre (65) pour le couplage avec un transducteur pneuma-

tique devant être commandé en position, ladite première cham-

bre et ladite deuxième chambre étant isolées l'une de l'autre

en ce qui concerne l'écoulement du fluide, ledit relais four-

nissant dans ladite deuxième chambre une deuxième pression qui présente une relation prédéterminée avec ladite première pression; un réservoir (73) couplé entre lesdits moyens de commande (33) et ledit relais (63), ledit bus, ledit relais et ledit réservoir coopérant de façon à définir ledit volume de gaz substantiellement constant;

lesdits moyens de commande de débit (33) compor-

tant des moyens pour ajuster le débit dudit gaz s'écoulant dudit volume substantiellement constant jusqu'à une zone à pression ambiante, lesdits moyens pour ajuster ledit débit d'écoulement comportant un étrangleur pneumatique (139)

ayant un passage d'écoulement présentant une première sur-

face de section transversale, ledit étrangleur pouvant être retiré desdits moyens de commande de débit et pouvant être remplacé par un étrangleur ayant un passage d'écoulement

présentant une deuxième surface de section transversale.

2. Appareil d'interface pneumatique caractérisé par le fait qu'il comporte sous la forme d'une unité: un relais volumétrique comportant un corps supérieur (77), une plaque centrale (79) et un corps inférieur (81) définissant avec un diaphragme (71) une première chambre d'entrée (61) et une deuxième chambre de sortie (65) isolées l'une de l'autre en ce qui

concerne l'écoulement du fluide, ladite deuxième chambre étant en communi-

cation avec une source (69) de gaz comprimé par l'intermédiaire d'une vanne de contr8le (63) commandée par ledit diaphragme

des moyens de commande comportant une vanne d'entrée (41) com-

prenant un électro-aimant (87), une buse de commande (89) et un prolon-

gement (91) d'un levier flexible (93) pour commander ladite buse, et une

vanne d'évacuation (137) comportant un électro-aimant (129), un étran-

gleur (51) et un prolongateur (103) d'un levier flexible (101) pour commander ledit étrangleur un volume constant (45') confiné entre le corps supérieur (77) et le capot (75): l'air venant de la source (69) pénétrant dans ledit volume constant par l'intermédiaire de la buse (89) et le quittant par

l'intermédiaire de l'étrangleur (51) vers une zone à pression ambiante.

3. Apparei] d'interface pneumatique selon la revendication 2, ca-

ractérisé par le fait Qu'il comporte de plus un étrangleur (139) pouvant être inséré ou retiré pour ajuster le débit d'écoulement du gaz dudit

volume confiné vers ladite zone à pression ambiante.