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" Soupape de contrôle"
La présente invention concerne un dispositif capable de contrôler de très faibles quantités de fluide circulant dans un système de commande.
Dans les installations pilotes de l'industrie pétro- chimique ou dans certaines fabrications chimiques, il est très important de pouvoir régler le débit de très faibles quantités de liquides ou de gaz, jusqu'à quelques centimètres cubes par minute.
Les soupapes, utilisées actuellement dans ce but, exigent la mise .en place exacte d'un bouchon de .soupape cylindri- que ayant un jeu de moins de 0,0025 mm par rapport à un orifice de soupape usiné avec une grande précision. On fait varier le débit en laissant dépasser hors de l'orifice une certaine lon- gueur de fine rainure superficielle, ménagée sur le bouchon. Ce type de soupape:exige non seulement un usinage très soigné et le choix de matériaux spéciaux pour éviter le grippage des parties
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coulissantes, mais il ne permet guère de contrôler effectivement les débits obtenus entre le maximum et le minimum, en raison des tolérances d'usinage inévitables.
Les dispositifs de mise en place de la soupape, utilisés pour mettre exactement en position; lesdits bouchons de soupape, exigent une'canalisation auxiliaire d'air comprimé en plus de la ligne de signal pneumatique, ;
Un objet important de la présente invention est d'assurer': la po'ssibilité de choisir, de l'extérieur, le débit voulu, sans interrompre le processus de contrôle.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de positionnement capable d'augmenter ou de, diminuer sélectivement la pression de service effective, appliquée sur le diaphragme de commande, afin de compenser le frottement dans la soupape, norma- lement responsable d'une hystérésis dans la caractéristique de commande des soupapes, sans avoir recours à une alimentation supplémentaire en air comprimé.
L'invention a encore pour objet une soupape de contrôle pneumatique pour emploi dans les systèmes à fluides, de cons. truction simple et de faible encombrement, capable d'assurer un service irréprochable et sans surveillance.
D'autres caractères et avantages de l'invention apparat- tront dans la description suivante de quelques exemples de réalisation représentés sur les figures.
Fig 1. est une coupe verticale et centrale montrant la structure et la disposition des pièces de l'invention
Fig. 2 est une vue agrandie du dispositif de position- nement de l'invention, en coupe
Fig. 3 est une vue en plan de l'invention
Fig. 4 représente le mécanisme de commande de l'invention, suivant.un autre mode de réalisation dans lequel on utilise une membrane partiellement flexible pour actionner la tige de soupape, ' suivant une coupe passant par le centre.
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En se référant aux dessins en plus grand détail, on voit que l'invention est présentée en vue de son application à un système à fluide comprenant une canalisation 1 débitant le fluide à contrôler dans un carter à soupape 2. L'admission du fluide est contrôlée par un bouchon de soupape sphérique 3 ; le fluide peut sortir du carter de soupape 2 par la partie de soupape 4.
En position de fermeture, le bouchon 3 est comprimé énergiquement contre l'orifice de soupape 5 par la tige de soupape 6, laquelle est chargée par la plaque 7; selon la figure 1, cette dernière est poussée vers le bas par l'effet de compression d'un jojnt torique 8, en caoutchouc, déformé élastiquement ; s'il s'agit du mode de réalisation de la Fig 4, la compression est réalisée par la tension élastique d'une section amincie 9 du diaphragme métal- lique 10. Cette conduite de la tige, jusqu'à la position fermée est obtenue par vissage de la commande de soupape 11 vers le carter 2, grâce à un filetage 12, ce qui amène la tige 6 au contact de la plaque 7 ou du diaphragme 10, respectivement. L'arrêt du débit de fluide indique que le bouchon 3 est bien en place sur son siège.
Le maintien en ce point de la position de commande est assuré par la contre-écrou 13.
On fait arriver une pression d'air signal, désigné par Pl dans ce qui suit, en 14 vers la.cavité 15 au-dessous de la plaque7 ou du diaphragme 10. Cet air ne peut s'échapper grâce à l'emploi de joints convenables 16, des joints toriques en caoutchouc de préférence.
Après un accroissement de la pression d'air, la plaque 7 ou le diaphragme 10 se déplace vers le haut en surmontant la rigidité du joint 8 ou de la section 9, respectivement, ce qui fait monter la tige 6. Afin de vaincre le frottement de la botte à garniture 17, on fait appel au res.sort de compression 18 qui exerce une certaine force contre un bouton à ressort fileté 19,
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pour.pousser la tige 6 contre la plac 7 ou le diaphragme 10.
Lorsque la tige est en haut, le bouction de soupape 3 découvre l'orifice 5 et laisse passer le fluide.
Concernant la commande 11, il faut remarquer qu'une partie de l'air entrant dans la cavité 15 peut s'échapper par un petit orifice calibré 20 ayant une section F1 dans la cavité 21 en haut .de la plaque 7 ou du diaphragme 10. Cet air dans la cavité 21 développe une certaine pression P2 dépendant de la surface d'écou- lement F2 d'un deuxième passage laissant l'air s'échapper dans l'atmosphère F2. Cette dernière surface d'écoulement F2 est déli- mitée par la circonférence d'un gicleur réglable 22 et par sa distance H jusqu'à la plaque 7 ou au diaphragme 10. Une deuxième lumière 25 dans ledit carter de commande peut être reliée à un manomètre extérieur afin d'indiquer ladite pression P2.
En supposant une distance H relativement grande, F2 est également grand par rapport à F1 ;en conséquence, P2 est sensi- blement égal à la pression atmosphérique P3; de sorte que la tota- lité de P1 peut agir en tant que pression différentielle dP pour déplacer la plaque 7 ou le diaphragme 10.
D'autre part, si H est très petite, donc F2 voisin de zéro, alors P2 devient égal à P1; il en récite que dP tend vers zéro et qu'il n'y a pas de levée de soupape. On voit donc qu'n modi- fiant la distance H, en vissant le gicleur 22 monté dans le raccord 23 et scellé par un joint 24, on peut faire varier la pression de commande effective dP, ainsi contrôler la levée de soupape sur une gamme très étendue..,
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La relation entre H, Pl et P2 est donnée par l'équation H = Fl V Pt - P2vP;. /c.fI '{P2 - P3 V;; '.
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Alors que la distance H pour la levée de soupape maximale détermine la valeur de dp ou de P1 - P2, @@ peut aussi montrer que ce dispositif contrôle la précision de positionnement de la tige de soupape. Entre la position de fermeture de la soupape H1 et la position de levée complète H2, il existe une relation exacte entre P1 et P2, déterminée par l'équation ci-dessus.
Si la relation est faussée, par frottement de la tige de soupape par exemple; la pression de sortie P2 devient différente de la pression mesurée avec une soupape jouant librement. Pour illustrer ce comportement on peut admettre que,dans des condi- tions normales et avec une pression de signal de 1,27 kg/cm2,il se développe une pression de sortie P2 de 1,05 kg/cm2 pour une levée de soupape nulle, correspondant à une distance H de 0,355m Pour une levée de soupape de 0,254 mm, la distance H2 est réduite à 0,1015 mm, développant une pression P2 de 1,62 kg/cm2, a pour une pression de signal de 2,1 kg/cm2.
Par conséquent, la pression de commande normale ; t dp m (P1 - P ), appliquée sur la plaque 7 ou sur le diaphragme 10,est comprise entre 0,212 et 0,492 kg/cm2 ce qui correspond à une levée de soupape de 0 à 0,254 mm. Si pour une raison quelconque le bouchon ne peut plus monter, c'est à dire si le diaphragme 10 reste à la levée zéro ou position H1= 0,355 mm, alors P2 tombe de 1,62 à 1,09 kg/cm2 pour une pression de signal p1 = 2,1 kg/cm2. Cela signifie que la plaque 7 ou le diaphragme 10 enregistreront un dp de 1,02 kg/cm2 au lieu de 0,492 pour la pression de signal maximale, soit deux fois la pression de commànde normale, afin de surmonter cette résistance au mouvement de soupape.
On peut déterminer le "gain" de la commande en divisant le dp ou la variation de signal "vrai" par le 0/0 de la variation de signal extérieure p2.Dans l'exemple précédent, ce gain est :
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p - (leO2 - 0#212) x 100/ ( 0,492 - 0,212) =292 %
Gain= 292pi00 P1 = 2,92
Du fait que la levée de soupape est très courte, de 1(ordre de quelques centièmes de millimètres, il existe pratique- ment toujours un mode d'écoulement laminaire entre les surfaces portantes sphériques du bouchon et de l'orifice.
On peut ajouter que l'écoulement massique, passant dans un étranglement d'écoulement laminaire, est fonction de d3, où d est la distance comprise entre lesdites surfaces portantes qui , réduisent l'écoulement du fluide. De plus, il se produit un accroissement effectif de la vraie levée de soupape 1 à la puissance 1 à 1,21, dû à la relation géométrique desdites sur- faces sphériques. Il en résulte un accroissement total ou net de l'écoulement massique proportionnel,à la puissance 3,75 de L.
Si l'on réduit la levée de soupape maximale L, en réglant la distance H comme déjà dit, jusqu'à 25%, on réduit effectivement le débit, suivant l'invention, pour le' signal maximal d'entrée.
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(100 % /25%i , , ': : x 18q fois
Les soupapes de contrôle classiques, ayant un taux d'écoulement de 60% environ pour la plus petite dimension de bouchon et d'orifice, exigeraient un total de 11 jeux différents de bouchons et d'orifice pour couvrir la même gamme.
On peut encore utiliser un diaphragme en caoutchouc et un ressort à boudin de compression ordinaire au lieu d'un diaphragme en acier plein, qui est un mode de réalisation avan- . tageux, sans sortir du cadre de l'invention. )