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Conduite automatique des appareils de cristallisation.
Le présent brevet décrit un ensemble de dispositifs qui permettent de contrôler et de conduire automatiquement des appareils de cristallisation comme ceux qui sont employés par exemple, pour la "cuisson" en sucrerie.
Le processus de la cuisson est bien connu: On évapore sous vide une certaine masse de sirop jusquà une sursaturation optimum, puis on amorce la cristallisation dans la masse par des procédés connus, ensuite on nourrit les petits cristaux formés pour obtenir finalement, quand la chaudière à cuire est pleine, des cristaux de la dimension désirée baignant dans une eau mère où se sont concentrées les impuretés
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tandis que la plus grande partie de l'eau contenue dans les produits traités a été évaporée par le chauffage sous vide.
Pour bien contrôler et conduire une opération de cuisson, il faut donc:
1 ) Pouvoir suivre aisément le phénomène de la concentration de la masse initiale de sirop afin d'amorcer la cristallisation (grainage) au moment où la sursaturation atteint la valeur que l'expérience montre comme la plus convenable.
2 ) Pouvoir nourrir les cristaux ainsi formés en maintenant l'eau mère à chaque instant à une valeur de sursaturation: - d'une part, assez grande pour que les cristaux grossissent, - d'autre part, assez faible pour éviter la formation de nouveaux germes cristallins qui donneraient des grains plus petits en fin de cuisson, diminuant le rendement et gênant le turbinage.
Il est intéressant en particulier de pouvoir faire suivre à la sursaturation une loi de variation en fonction de l'état d'avancement de la cuite, loi qui dépend des produits traités et des résultats recherchés (grosseur des grains en particulier). L'état d'avancement de la cuite est alors repéré par le niveau de la masse dans la chaudière à cuire.
Il y a lieu du reste de noter que le chauffage de l'appareil à cuire ne doit pas être rendu automatique, car l'allure de chauffage conditionne la rapidité de la cuite qui dépend elle-même de la quantité de produits qu'il y a lieu de traiter.
3 ) Pouvoir maintenir à chaque instant une température convenable, constante, ou variable, suivant une loi prédéterminée.
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Dans la présente invention, on base la mesure de la concentration de l'eau mère sur une mesure de résistance électrique entre électrodesplacées dans la chaudière à cuire.
On sait que le sucre lui-même n'est pas conducteur de l'électricité ; les sirops sont rendus conducteurs par les impuretés ionisables qu'ils contiennent. Maison sait, d'autre part, que la présence du sucre, à température constante, fait varier considérablement la valeur de la résistance mesurée dans l'eau mère (du simple au double quand on passe de 1 à 1,2 comme coefficient de sursaturation en sucre avec les mêmes impuretés).
La résistance, mesurée à température constante, peut donc être une mesure de la concentration en sucre, si les impuretés ionisables sont assez constantes en nature et en quantités; c'est ce que la pratique montre comme très suffisamment exact pour des jus semblablement traités dans une même sucrerie.
On verra cependant plus loin qu'un ajustage spécial dans les appareils permet éventuellement de tenir compte d'une variation dans la teneur en impuretés.
Reste un seul inconvénient, celui de la variation de la résistance avec la température qui est de 4 à 5 % environ par degré centigrade. Cet inconvénient est moins grave d'ailleurs qu'il ne parait à priori, car la sursaturation augmente en même temps que la résistance si on abaisse la température, ce qui fait qu'en réglant sur une résistance donnée on règle au voisinage de la sursaturation recherchée même si la température n'est pas à 2 ou 3 degrés près celle pour laquelle on a établi les valeurs de réglage.
L'appareillage décrit dans le présent brevet comprend :
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1 ensemble régulateur de température agissant sur une vanne de vide;
1 ensemble mesureur de niveau permettant de faire suivre à la régulation de concentration et éventuellement aussi à la régulation de tempéra- ture des programmes déterminés en fonction de ce niveau ; -
1 ensemble régulateur de concentration agissant sur une vanne à l'entrée des produits à traiter.
L'appareillage peut d'ailleurs être simplifié pour ne réaliser automatiquement qu'une partie de ces opérations, les autres étant faites à la main.
L'appareillage peut au contraire condenser en un seul ensemble les ensembles partiels précédents.
On va prendre successivement la description de ces ensembles p artiels. La chaudière à cuire est représentée en 1 (fig. 1).
Le régulateur de température 2 comprend un élément sensible 3 qui est un thermomètre à tension de vapeur, à dilatation de gaz ou de liquide.... et qui est plongé dans la masse en cuisson à l'endroit le plus convenable pour in- diquer une température moyenne.
Le régulateur de température agit sur la valeur du vide de façon à augmenter ce vide si la température mesurée est plus forte que la température recherchée, ou à diminuer le vide dans le cas contraire, ceci pour tenir compte des lois physiques bien connues de l'ébullition. Cependant, l'action sur la vanne 4 qui règle le vide n'est pas directe, le régulateur commande simplement les variations à réaliser sur la valeur du vide (sous forme d'une variation de tension si le régulateur est électrique, ou d'une variation de pres- sion s'il est pneumatique);
la valeur actuelle du vide est mesurée d'autre part au moyen d'un manomètre sensible 5, elle est comparée à la valeur commandée par le régulateur au moyen - d'une sorte de relais d'équilibre 6 qui commande l'ouverture
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ou la fermeture de la vanne de vide de façon à retrouver constamment son propre équilibre.
Dans la réalisation électrique donnée à titre d'exemple non limitatif, le régulateur, partant de l'écart # entre la température mesurée et la température recherchée, donne entre ses bornes 7 et 8, grâce à des dispositions intérieures appropriées, une tension ul dont les variations suivant la loi du1 = [alpha] d # + ss dt où 0( et ±sont deux facteurs de réglage ajustables.
Le manomètre de vide entraîne le déplacement d'un curseur sur un potentiomètre pour que la tension u2 entre les bornes 9 et 10 soit constamment proportionnelle à la valeur actuelle p du vide (mesurée par exemple en pression absolue) u2 = K x p
Dans le relais d'équilibre 6 on oppose u1 à u2 - si u1> u2 le relais ferme un contact qui commande la fermeture de la vanne de vide 4.
- si u1< u2 le relais ferme un autre contact qui commande l'ouverture de la vanne de vide - si ul = u2 le relais est à l'équilibre et la vanne reste dans sa position.
Le principe de régulation ici revendiqué qui consiste à ne pas commander directement la vanne par le régulateur, mais à commander seulement les corrections que doit suivre le vide,comporte un très gros avantage dans l'application que l'on a,en vue; en effet, le facteur de réglage, intéressant dans cette régulation, n'est pas l'ouverture de la vanne de vide,mais la valeur du vide qui règne sur la masse. En opérant comme il est dit ci-dessus, on double en nquelque sorte le régulateur de température d'un régulateur
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de vide, ce dernier étant à action instantanée.
En supposant par exemple qu'il y ait pour une raison extérieure au système, une brusque augmentation de chauffage dans la chaudière à cuire (ce qui arrive fréquemment en sucrerie, la pression de la vapeur de chauffage n'étant pas toujours constante); la vaporisation va donc augmenter, le vide tendrait à tomber et la température à monter, mais le relais 6 s'y opposera immédiatement en ouvrant la vanne de vide et pratiquement la température n'aura pas changé.
On est ainsi allé au devant de la perturbation en y parant.
Si, au contraire, on avait utilisé un régulateur de température agissant directement sur la vanne 4 sans faire intervenir la mesure et la valeur du vide, la vaporisation augmentant, le vide serait tombé, la température aurait monté, et ce n'est qu'à ce moment que l'ouverture de la vanne 4 se serait modifiée; la perturbation était accusée.
Revenant au principe de régulation utilisée à côté du fonctionnement rapide du régulateur de vide, on aura un fonctionnement aussi amorti que l'on désire dans la régulation proprement dite de température si la concentration augmente, la température tend à monter, le régulateur pousse alors progressivement la valeur du vide pour maintenir la température de réglage.
La loi de régulation à deux termes indiquée plus haut : du1 = [alpha] d # + ss e dt a le gros avantage de permettre d'aboutir, par le choix des coefficients à l'équation d'un mouvement pendulaire amorti.
A noter encore que le manomètre de vide utilisé doit être sensible, mais il peut être tout-à-fait faux. Il n'agit que par les variations qu'il mesure et non par la valeur absolue de sa mesure.
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Dans la présente invention, le régulateur double température-vide peut être réalisé sous d'autres formes que la forme purement électrique. Par exemple, le régulateur de température peut commander le déplacement du point de réglage d'un manomètre de vide à contacts, ces derniers assurant l'ouverture et la fermeture de la vanne de vide.
Le dispositif peut encore être hydraulique ou pneumatique; le régulateur de température emploie par exemple comme fluide auxiliaire de l'air à pression constante; il le transforme en air à pression variable de préférence suivant la loi d # = [alpha] d 9 + ss # dt
Une balance pneumatique (relais de zéro) compare la pression # , à la valeur actuelle du vide p et commande par relais pneumatique ou électrique ou hydraulique la vanne de vide, de façon que l'on ait à chaque instant # = k p + po k étant un coefficient et po une constante.
L'ensemble de mesure du niveau de la masse cuite dans la chaudière comporte un simple manomètre différentiel 2" (fig. 2) à mercure ou à membranes.... dont une branche est reliée à une prise de pression 3", au sommet de la chaudière et l'autre branche à une autre prise de pression 4" à un niveau initial convenablement choisi vers le bas de la chaudière. On évite les encrassements des tubes de liaison en faisant une très légère introduction d'air réglée par un pointeau ou un capillaire'sur chacun de ces tubes en 5" et 6"; la dépression qui règne dans la chaudière suffit à assurer l'écoulement de l'air sans qu'il soit besoin de faire appel à l'air comprimé. Le manomètre différentiel indique le niveau.
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Il sert à faire suivre à la régulation de concentration décrite plus bas et éventuellement à la régulation de température décrite ci-dessus, des programmes judicieusement établis. Pour chacun de ces programmes on agit sur un organe mécanique ou sur un circuit électrique du régulateur correspondant par l'intermédiaire de cames interchangeables et ajustables à volonté.
On peut, par exemple, agir sur la température en introduisant dans le circuit du relais de zéro (voir fig. 3 où l'on a repris une fraction de la fig. 1 avec les mêmes références) une tension auxiliaire u3 prise entre les points 12 et 13 d'un potentiomètre 11-12, le déplacement du curseur 13 étant une fonction du niveau réalisée par une came; l'équilibre du relais 6 n'a plus lieu pour ul = u2 mais pour ul = u2 + u3 le choix judicieux de la loi de variation de u3 donne la loi de variation recherchée pour la température.
On verra plus loin de quelle façon on peut réaliser le programme de régulation de concentration en fonction du niveau.
L'ensemble de régulation de.la concentration repose, comme il a été dit, sur une mesure électrique de résistance entre électrodes plongées dans la masse cuite (ou entre une ou plusieurs électrodes et la masse métallique de la chaudière).
La mesure peut être faite, si l'on dispose d'une source auxiliaire alternative à tension constante, au moyen d'un simple ampèremètre ou voltmètre, suivant des procédés connus.
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Ces montages comportent des éléments de réglage sur lesquels peut agir par came le manomètre de mesure du niveau de façon que le voltmètre ou l'ampèremètre étant du type régulateur à contacts maximum et minimum, la concentration suive la loi désirée (les contacts commandant l'ouverture ou la fermeture de la vanne d'introduction des sirops à traiter).
La mesure de résistance peut encore être faite par un pont de Wheatstone en courant alternatif, ce qui rend le résultat indépendant des variations de la tension de la source auxiliaire. On a représenté sur la figure 4 un type de schéma correspondant à ce genre de réalisation. Un transformateur d'alimentation 1', alimente, d'une part, les inducteurs 2' du galvanomètre à contacts 3' et, d'autre part, le pont de Wheatstone proprement dit. Celui-ci est formé pour une branche par la résistance de la masse cuite 4' à mesurer; pour une autre branche d'une résistance de comparaison 5' réglable ; et pour les deux autres branches de résistances fixes ou réglables 6' et 7' et d'un rhéostat qui les réunit.
Le cadre 9' du galvanomètre est dans la diagonale opposée à l'alimentation. Le galvanomètre à contacts commande un servo-moteur 10' qui déplace le balai 11 de façon que le pont retrouve constamment son équilibre. Une aiguille indicatrice 12, entrainée par le servo-moteur et se déplaçant devant une échelle graduée 13 rend compte de la mesure de la résistance 4'.
L'ensemble peut être rendu régulateur et agir par conséquent sur la vanne 14 d'introduction des jus ou égouts à traiter de la façon suivante : servo-moteur 10' entraine un balai 15 qui peut frotter sur deux plages 16 et 17 séparées par un intervalle isolant. Le balai 15 étant sur l'inter- valle isolant, la vanne 14 est au repos ; balai 15 étant sur l'une des plages commande l'ouverture de la vanne 14 et
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sur l'autre plage la fermeture, de façon que ces ordres tendent à ramener le pont vers un équilibre tel que le balai 15 revienne sur l'intervalle isolant.
On peut d'ailleurs imaginer aisément que la vitesse de fonctionnement de la vanne soit proportionnelle à l'écart qu'il y a lieu de rattraper, ceci en fragmentant les plages 16 et 17 en éléments correspondant à des vitesses de vanne croissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'intervalle.
Pour réaliser un programme de régulation en dépendance du niveau, on peut: -soit rendre l'ensemble des plages 16 et 17 mobile et lier leur déplacement à la variation du niveau par l'in- termédiaire d'une came, -soit en laissant les plages fixes agir sur le balai 15 au moyen d'un différentiel dont une commande serait faite par le servo-moteur et dont l'autre commande serait liée au niveau, -soit rendre le bobinage du rhéostat 8 mobile et lier son déplacement à celui du niveau, -soit lier le déplacement du curseur 5' à celui du niveau, etc.... ces moyens étant donnés à titre d'exemples non limitatifs.
Les deux premières de ces solutions sont les meilleures, car elles laissent l'indication de la mesure par le système 12 - 13 indépendants du programme réalisé.
Le réglage du rhéostat 5' peut servir à tenir compte de la résistivité spécifique des sirops traités (laquelle dépend des impuretés ionisables contenues dans ces jus) pour qu'un même programme matérialisé par une came puisse servir à la conduite de cristallisation de sirops de résistivités spécifiques différentes, les résistivités spécifiques étant- dans le rapport K, on ferait varier la résistance 5 dans ce rapport K.
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Il est bien entendu que les rhéostats 5' et 8' chacun avec tous les accessoires représentés sur la figure 4 peuvent être échangés l'un pour l'autre sans que cela sorte du cadre de l'invention, car cette facilité résulte des propriétés bien connues du pont de Wheatstone dont l'équation d'équilibre est représentée par l'égalité de deux rapports.