Doseur pour liquide
L'invention a trait à un doseur pour liquide destiné à prélever de manière répétée, à travers une conduite, une dose volumétrique réglable à volonté, d'au moins un liquide et à restituer cette dose à travers une autre conduite, chaque prélèvement alternant avec une restitution.
On connaît déjà de tels doseurs, qui sont utilisés surtout dans les laboratoires d'analyses, notamment biochimiques ou cliniques et qui sont destinés soit à délivrer un volume déterminé d'un liquide à analyser (fonctionnement en doseur ), soit à délivrer successivement plusieurs doses, ayant toutes un volume identique, d'un même liquide (fonctionnement en distributeur ) soit enfin à délivrer simultanément une dose de volume déterminé mais qui peut être différent de celui de la dose de liquide à analyser, d'un diluant ou d'un réactif (fonctionnement en dilueur ). L'emploi de ces appareils se généralise au fur et à mesure que le besoin d'analyses en série croît. Cependant, les appareils connus conduisent en général à des dosages peu précis et surtout peu reproductibles, surtout lorsque les doses sont de faible volume.
Ce défaut est dû pour une bonne part au fait que, dans ces appareils connus, le réglage de la dose est un réglage continu qui est souvent affecté par des erreurs de lecture des échelles, erreurs qui sont imputables aux opérateurs, que ce soit par suite de distraction, d'inattention ou de fatigue. En outre, les doseurs connus fonctionnent de manière assez brutale: il y a une aspiration brusque du liquide, un arrêt brusque de cette aspiration, puis une restitution brusque de Ia quantité du liquide dosé. Ces variations brusques provoquent notamment des ruptures de colonnes liquides (effet de coup de bélier hydraulique) et des formations de gouttes, autres causes d'erreur qui sont imputables, elles, aux appareils euxmêmes et qui rendent les dosages peu reproductibles.
Il en résulte que les appareils connus se prêtent mal à l'automatisation des analyses, automatisation que nécessite le développement croissant des campagnes modernes de dépistages préventifs ou de traitements massifs portant sur des populations entières. Si l'on veut réduire l'impor- tance des causes d'erreurs mentionnées, on est conduit à faire manipuler aux distributeurs-doseurs connus des quantités relativement grandes de liquides. Cela constitue un important inconvénient lorsque l'on veut faire sur un échantillon liquide ayant un volume donné de nombreuses analyses diverses: il faut en effet que le volume de cet échantillon soit d'autant plus grand que le nombre d'analyses à faire est élevé, même si chacune de ces analyses ne nécessite en soi qu'une très petite fraction de cet échantillon.
Cet inconvénient est surtout sensible en hématologie où l'on cherche à faire beaucoup d'analyses sans être obligé de prélever chez les patients de grandes quantités de sang; c'est notamment le cas en hématologie pédiatrique.
La présente invention a pour objet un doseur qui ne présente pas les inconvénients mentionnés et qui, de ce fait, permet de doser avec grande précision et avec une bonne reproductibilité de très petits volumes de liquide, ce qui le rend apte à être incorporé dans une chaîne automatique d'analyses en grande série.
Ce doseur est caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un ensemble constitué par:
- une pompe à piston, aspirante et foulante, capable, dans la phase aspirante de son fonctionnement, de prélever ladite dose volumétrique et, dans la phase refoulante de son fonctionnement, de la restituer;
- une vanne commutatrice associée à cette pompe et capable de passer cycliquement d'un premier état, où elle relie cette pompe avec l'une desdites conduites, à un second état où elle relie cette pompe avec l'autre desdites conduites;
;
- un mécanisme d'entraînement capable de faire passer cycliquement cette vanne de l'un de ses deux états à l'autre et capable d'actionner cycliquement cette pompe en imprimant à son piston un mouvement alternatif sensiblement sinusoïdal dont l'une des alternances constitue la phase aspirante de son fonctionnement et dont l'autre alternance constitue la phase refoulante de son fonctionnement, ce mécanisme étant agencé de manière que cette phase aspirante ait lieu pendant que cette vanne se trouve dans l'un de ses deux états et que cette phase refoulante ait lieu pendant que cette vanne se trouve dans l'autre de ses deux états, et de manière que chacune de ces phases, tant aspirante que refoulante,
soit suivie d'une pause pendant laquelle cette pompe est inactive alors que cette vanne passe de l'un de ses états à l'autre;
- des moyens de réglage permettant de régler à volonté le volume de ladite dose en variant l'amplitude du mouvement alternatif du piston de cette pompe;
- des moyens d'affichage capables de rendre visible de l'extérieur un nombre représentatif de ce volume;
- et par le fait qu'il comprend un moteur électrique accouplé au mécanisme d'entraînement de cet ensemble et commandé par des moyens de commande agencés de manière à permettre de déclencher à volonté un demicycle de fonctionnement de cet ensemble, ce demi-cycle étant soit un demi-cycle de prélèvement qui comprend une phase aspirante du fonctionnement de cette pompe, soit un demi-cycle de restitution, qui comprend une phase refoulante du fonctionnement de cette pompe.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une forme de réalisation particulière de l'invention.
La fig. 1 est une coupe transversale.
La fig. 2 est une coupe antérieure, selon la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe postérieure, selon la ligne 111-111 de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue en plan.
La fig. 5 représente, vu depuis l'avant, I'appareil complet.
Les fig. 6 et 7 se rapportent à deux éléments particuliers vus selon les lignes VI-VI et VII-VII, respectivement, de la fig. 4.
La fig. 8 se rapporte à un autre élément particulier.
La fig. 9 reproduit trois diagrammes illustrant le fonctionnement de l'appareil.
La fig. 10 est une vue agrandie, en coupe, d'une partie de la fig. 1.
La fig. 1 1 reproduit un schéma électrique.
Le doseur représenté aux fig. 1 à 5 est double, en ce
sens qu'il comprend une paire de pompes aspirantes et foulantes la et lb, une paire de vannes commutatrices 2a et 2b, une paire de mécanismes d'entraînement 3a et 3b (avec toutefois un unique moteur commun 4 et un unique réducteur commun 5), une paire de moyens de réglage 6a et 6b, une paire de moyens d'affichage 7a et 7b, mais un unique moyen de commande comprenant un contacteur temporisé 8 et un interrupteur commandé par came. On va donc décrire un seul de chacun des organes doubles, en désignant les pièces qui constituent chacun d'eux par des numéros de références à trois chiffres choisis de manière que leur chiffre des centaines désigne l'organe auquel appartiennent ces pièces.
Ainsi toutes les pièces appartenant à la pompe, qu'il s'agisse de la pompe la ou de la pompe lb, seront désignées par des numéros allant de 101 à 199, toutes celles qui
appartiennent à la vanne (vanne 2a ou vanne 2b) seront désignées par des numéros allant de 201 à 299, et ainsi de suite. Etant donné la symétrie de construction des organes doubles, on omettra, en principe, le symbole littéral qui distingue l'un de l'autre les organes d'une paire.
1. Pompe
Dans la présente forme d'exécution, la pompe aspirante et foulante est constituée par une seringue comprenant un cylindre 101 dans lequel se meut un piston 102 pourvu d'une coiffe 103 et monté à l'extrémité d'une tige 104. Le cylindre 101 est fermé par un bouchon 105 terminé par un ajutage 106 grâce auquel il est en communication avec la vanne commutatrice. Le cylindre 101 est fait de préférence en verre, le piston 102 ainsi que la tige 104 sont faits de préférence en métal, la coiffe 103 et le bouchon 105 sont faits de préférence en matière synthétique dure, telle que du Teflon ou du
Kel-F; mais d'autres matières peuvent être utilisées. La seringue est maintenue en place par une bride 107 qui, munie d'une lame élastique 108, la fixe contre la vanne commutatrice, l'ajutage 106 de son bouchon étant engagé dans un logement ménagé à cet effet dans cette dernière.
Quant à la tige 104, elle traverse une fente 109 ménagée dans la bride 107 et elle est engagée par son extrémité dans l'extrémité d'un levier 339 faisant partie des moyens d'entraînement.
2. Vanne commutatrice
La vanne commutatrice comprend un siège fixe 201, logé dans une douille fixe 202, et un boisseau rotatif 203 logé dans une douille rotative 204. Siège et boisseau sont retenus l'un à l'autre par un manchon d'assemblage 205 qui vient prendre place dans un logement 206 de la
paroi antérieure 10 du bâti de l'appareil.
La vanne est maintenue en place dans ce logement à l'aide d'un système de fixation qui comprend une bride 207 et deux poulets de serrage 208, 209 qui se vissent dans des trous taraudés dans la paroi antérieure
10 du bâti de l'appareil. Lorsqu'elle est en place, la vanne vient s'embrocher, par deux logements ménagés dans le fond de la douille rotative 204, sur deux broches d'entraînement 302, 303, qui font partie des moyens d'entraînement. De cette manière, le boisseau rotatif 203
est rendu solidaire de ces derniers. La vanne commutatrice est, grâce à sa conception et son mode de fixation, interchangeable en bloc, siège et boisseau restant liés
ensemble par le manchon 205, et ce changement de vanne
est excessivement simple, ce qui est avantageux eu égard
aux nécessités de nettoyage.
Le siège 201 comprend (voir fig. 6) un passage central
210 qui communique avec un logement 211 dans lequel
vient s'insérer l'ajutage 106 de la pompe 1 et deux ori
fices latéraux 212, 213 qui communiquent avec des lo
gements 214, 215 destinés à recevoir l'un l'extrémité d'un
tuyau d'aspiration 11, l'autre l'extrémité d'un tuyau de refoulement 12. Le tuyau d'aspiration 1 1 communique
avec un réservoir externe (non représenté) dans lequel se
trouve le liquide dont l'appareil doit prélever des doses; le tuyau de refoulement 12 communique avec un réci
pient externe (non représenté) dans lequel cette dose doit
être restituée ou avec une pissette 31 fixée à une poignée
30 qui permet de déposer la dose restituée à l'endroit
voulu par ltopérateur.
Le boisseau 203 est pourvu, sur sa face située contre
le siège 201, d'un canal 216 en forme d'ancre arquée (voir fig. 7) qui, suivant la position angulaire qu'occupe le boisseau, met en communication l'orifice central 210 du siège 201 soit avec l'un soit avec l'autre des orifices latéraux 212, 213 du siège. On le voit, lorsque le boisseau rotatif 203 tourne par rapport au siège fixe 201, il y a successivement communication entre la pompe et le tuyau d'aspiration d'une part, entre la pompe et le tuyau d'échappement d'autre part.
Cette communication dure tout le temps que met la partie arquée 217 du canal 216 à balayer l'un ou l'autre des orifices latéraux 212, 213 et cette durée dépend de la longueur (en degrés) de la partie arquée 217, laquelle est inférieure à 1800 de la quantité nécessaire pour qu'il n'y ait jamais communication directe entre ces deux orifices latéraux.
3. Moyens d'entraînement
Les moyens d'entraînement comprennent les éléments communs que sont le moteur 4, de préférence synchrone, et un réducteur de vitesse 5 dont l'arbre de sortie 13 porte un pignon 14 qui est couplé à cet arbre 13 par l'intermédiaire d'un limiteur de couple à friction 15 (voir fig. 8). Le pignon 14 engrène avec les premières roues de chacun des mécanismes d'entraînement 3a et 3b, de sorte qu'on va décrire les seuls moyens d'entraînement 3a, étant entendu que ce qui va être dit vaudra aussi pour les moyens 3b, identiques aux premiers. Le pignon 14 engrène avec une roue dentée menante 301 qui porte deux broches d'entraînement 302, 303 traversant une rondelle 304 et pénétrant dans les logements ménagés dans le fond de la douille 204 du boisseau 203 de la vanne commutatrice.
La rondelle 304 constitue, avec un ressort 305, une butée axiale élastique qui presse le boisseau 203 contre le siège 201. La roue dentée menante 301 engrène avec une roue dentée menée 306 fixée à l'arbre d'entrée 321 d'un excentrique 320. Sur deux portions de la périphérie de la roue dentée menante 301, les dents ont une longueur axiale réduite de moitié environ par des fraisages 307 et 307'. La longueur axiale des dents de la roue dentée menée 306 est inférieure à la profondeur de ces fraisages 307, 307' (voir fig. l et 2).
De plus, la roue 306 est située dans le plan de ces fraisages. Il en résulte que l'entramement de la roue menée 306 par la roue menante 301 n'a lieu que pendant les parties de la rotation de cette dernière qui correspondent à l'action des parties non fraisées 308 et 308' de sa périphérie. La roue menée 306 est pourvue d'un moyeu 309 qui porte une tige d'entraînement 310 disposée parallèlement à un diamètre de cette roue menée, de manière à coopérer alternativement avec deux ergots 311 et 311' portés par la roue menante 301. La tige 310 et les ergots 311 et 311' sont agencés de manière à coopérer.
à l'instant où ils se rencontrent, afin qu'au moment où le début de l'une ou l'autre des parties non fraisées 308, 308', de la première se présente devant la seconde, les dentures des roues menante 301 et menée 306 engrènent correctement. La longueur périphérique de ces parties non fraisées 308, 308', est égale à la demi-longueur pé- riphérique de la roue menée 306, de sorte que pour chaque demi-révolution effectuée par la roue menante 301, la roue menée 306 effectue une demi-révolution suivie d'une pause correspondant au défilement de l'une ou l'autre des parties fraisées 307, 307'. L'ensemble des roues 301, 306 constitue ainsi un entraînement intermittent transformant la rotation continue de la roue menante 301 en une rotation intermittente de la roue menée 306.
L'excentrique 320 comprend une première pièce rotative 322 solidaire de l'arbre d'entrée 321 et pourvue d'une fente méridienne 323 dans laquelle peut coulisser axialement un organe excentreur constitué par une lame 324 dont les bords 325, 326 sont obliques par rapport à l'axe 327 de rotation de la pièce rotative 322. Cette dernière est située en regard d'une seconde pièce rotative 328 munie elle aussi d'une fente méridienne 329 permettant le coulissement axial de la lame 324. Des coulisseaux 330 et 331, coopérant avec une coulisse 332, sont prévus pour empêcher cette lame d'avoir un mouvement autre qu'un glissement axial.
La lame 324 passe à l'intérieur d'un noyau d'excentrage constitué par la bague intérieure d'une couronne à billes 333 : cette bague porte deux ergots 334, 335 faisant saillie de part et d'autre de celle-ci et pénétrant dans les fentes méridiennes 323 et 329, respectivement, des pièces rotatives 322 et 328, de manière que cette bague tourne avec ces dernières.
L'excentrage de cette couronne à billes 333 est défini par la position axiale qu'occupe la lame 324 et cette position axiale est commandée par une vis micrométrique 601 qui fait partie des moyens de réglage dont la description sera donnée plus loin. La bague extérieure de la couronne à billes 333 est solidaire d'un poussoir radial 336 qui est attaché, par une rotule 337 prise dans un cavalier 338, à un levier oscillant 339 dont une extrémité pivote autour d'un pivot 340 solidaire du boîtier de l'appareil, et dont l'autre extrémité porte une pince de serrage 341 dans laquelle vient se fixer, à l'aide d'un poulet 342, I'extrémité de la tige 104 du piston 102 de la pompe décrite plus haut.
Les mécanismes d'entraînement sont donc capables d'entraîner de manière continue la vanne commutatrice 2, afin qu'elle mette cycliquement la pompe l en communication avec le tuyau d'aspiration 11 et avec le tuyau de refoulement 12, et d'entraîner de manière intermittente l'excentrique 320, afin que son organe de sortie 336, qui est relié à la pompe l ait un mouvement alternatif intermittent dont l'amplitude puisse être réglée à volonté. Les calages des roues 301, 306 par rapport au boisseau rotatif 203 et par rapport à l'arbre d'entrée 321 de l'excentrique 320 sont choisis de manière à assurer entre ces différents mouvements la mise en phase représentée par les diagrammes de la fig. 9.
Dans cette figure, la courbe Vc illustre le fonctionnement de la vanne commutatrice, la courbe Ee représente le mouvement de l'arbre d'entrée de l'excentrique et la courbe Po illustre le fonctionnement de la pompe. Le cycle T se décompose, pour la vanne, en une partie ASP pendant laquelle il y a communication entre la pompe et le tuyau d'aspiration, une partie C pendant laquelle il y a commutation. avec interruption de toute communication, et une partie Exp sy pendant laquelle il y a communication entre la pompe et le tuyau d'échappement (diagramme eVc ).
Le même cycle T se décompose, pour l'arbre d'entrée de l'excentrique, en une partie T, pendant laquelle cet arbre décrit une demi-révolution, une partie R pendant laquelle il est au repos, et une partie T ) > pendant laquelle cet arbre achève sa révolution (diagramme Ee ).
Pour l'organe de sortie de l'excentrique, donc pour la pompe. le cycle T se décompose en une phase d'aspiration Asp ) > pendant laquelle la pompe aspire, une pause P pendant laquelle la pompe est immobile et une phase Ref pendant laquelle la pompe restitue la quantité de liquide qu'elle a aspirée pendant la phase Asp . La pause P pendant laquelle la pompe est inactive recouvre la partie C du fonctionnement de la vanne, partie pendant laquelle celle-ci commute.
La courbe Po de la fig. 9 met en outre en évidence le caractère sinusoïdal du mouvement de la pompe, caractère qui a pour effet de mettre le liquide progressivement en mouvement et de l'arrêter progressivement, en éliminant toute accélération brusque, donc tout coup de bélier hydraulique. On a aussi schématisé sur cette courbe Po la variation d'amplitude du mouvement décrit par le piston 102, variation qui donne lieu à la manipulation d'une dose variable à volonté entre une dose maximale DmaX et une dose minimale Dmi", cette dernière pouvant d'ailleurs être nulle si la position axiale de la lame 324 est telle que la couronne à bille 333 soit centrée sur l'axe 327 de l'excentrique.
4. Moyes de réglage
Les moyens de réglage comprennent une vis micrométrique 601 qui coopère avec un écrou 602 constitué par l'une des extrémités d'une pièce fixe 603 dont l'autre extrémité 604 tient lieu de palier pour la seconde pièce rotative 328 de l'excentrique 320. Cette pièce 603 est immobilisée à l'aide d'une vis 605 dans une douille 6 < )6 solidaire de la paroi postérieure 16 du bâti de l'appareil. L'extrémité 607 de la partie cylindrique de cette vis micrométrique 601 qui est arrondie, coopère avec le coulisseau 331 de l'organe d'excentrage 324 de l'excentrique.
La rotation de la vis 601 est commandée par un poulet moleté 608 solidaire d'une douille 609 portant une roue à chaine 610, dont le rôle sera décrit plus loin. C'ette roue à chaîne 610 (voir fig. 10) est munie d'une goupille 611 qui coopère avec une rainure longitudinale 612 ménagée sur la face externe de la douille 61)9. De cette manière. cette douille peut coulisser axialement dans cette roue à chaîne, tout en étant solidaire angulairement de celle-ci. La douille 609 traverse un flasque de calage 613 qui contient deux logements 614, 614' diamétralement opposés, dans lesquels se meuvent des billes 615, 615' pressées par des ressorts 616, 616'.
Ces billes ont pour rôle de rendre sensible à l'opérateur le passage de la rainure 612 devant ces billes; ces dernières constituent, en effet, des crans élastiques qui permettent à l'opérateur appelé à manipuler le poulet 608 de détecter au toucher le moment où il a fait faire demi-tour à la vis 601. Le flasque de calage 613 est immobilisé, par des brides à vis 617, 618, et il a pour rôle de permettre comme on le verra plus loin le calage du zéro des moyens d'affichage.
5. Mi'eiis d'affichage
Les moyens d'affichage comprennent un compte- tours 701 dont Marbre d'entrée est solidaire d'une roue à chaîne 702, elle-même reliée par une chaîne crantée 703 à la roue à chaîne 610 décrite ci-dessus. Ce comptetours comprend une fenêtre 704 à travers laquelle apparaissent les chiffres indiquant le nombre de tours décrits par son arbre d'entrée. Ce nombre est en relation directe avec la rotation exécutée par le poulet 608, qui règle l'excentrage et le recours à une chaîne crantée 703 maintient cette relation en empêchant tout glissement entre les roues 610 et 702.
Les diamètres des roues à chaîne 610 et 702, l'angle des bords 325, 326 de la lame d'excentrage 324 et le rapport des bras du levier 339 sont choisis de manière que l'on obtienne directement le volume de la dose manipulée en multipliant le nombre affiché dans la fenêtre 704 par le chiffre d'étalonnage qui indique le volume maximal de la seringue tenant lieu de pompe et qui est inscrit sur la paroi de celle-ci. De plus, le rapport entre les roues à chaîne 610 et 702 est de 2 à I, de sorte que la roue 702 exécute un tour complet pour chaque demi-tour exécuté par la roue 610, donc par la vis micrométrique 601. En outre, la position angulaire du flasque de calage 613 est choisie de manière que chaque franchissement d'un cran élastique fasse varier d'une unité le nombre visible dans la fenêtre 704.
Comme l'opérateur assure toujours le réglage en passant un nombre entier de crans, le nombre affiché dans cette fenêtre 704 est toujours un nombre entier.
Il est évident que la manipulation de la vis micrométrique 601 à l'aide du poulet 608 ne peut faire varier l'excentrage de l'excentrique 320 que dans une plage délimitée: il en résulte que la plage dans laquelle peut être choisie la dose de liquide manipulée par la pompe est déterminée par le volume maximal de la seringue constituant cette dernière. Aussi a-t-il été prévu, pour accroître l'étendue de la gamme dans laquelle on peut choisir la dose, de munir l'appareil d'un jeu de plusieurs seringues interchangeables, dont les diamètres ont des valeurs telles que leurs volumes maximaux s'étagent d'une manière adéquate dans une vaste gamme, par exemple: 0,2; 2 ; 5; 10; 20; et 50 ssd.
6. Moyens de coniniande
Les moyens de commande comprennent l'interrupteur 9, par exemple un microcontacteur, dont le poussoir 20 est actionné par une came constituée par une paire de creux 21, 22 ménagés dans un des organes des moyens d'entraînement, par exemple dans la roue 301 (fig. 1, 2, 4). Cet intermpteur est connecté, comme le montre le schéma électrique de la fig. 11, de manière à interrompre l'alimentation du moteur dès qu'un de ces creux se présente devant le poussoir 20, c'est-à-dire deux fois par tour de la roue 301. Ce sont donc eux qui provoquent les interruptions R dont il a été question précédemment à propos de la fig. 9. Les moyens de commande comprennent aussi le contacteur temporisé 8.
Ce contacteur comprend une lame de contact 24 destinée à entrer en contact avec une tête de contact 25 sous l'effet de la poussée exercée par un poussoir 26 commandé pneumatiquement par une poire élastique 27 (fig. 1) reliée au logement 28 dans lequel se meut ce poussoir par un tuyau flexible 29. La lame de contact 24 est agencée de manière à être, en position de repos, écartée de la tête 25. Le poussoir 26 possède, dans son logement 28, un jeu tel qu'il est chassé en avant par une brusque augmentation de pression due à la compression de la poire 27, mais qu'il laisse fuir l'air de manière à ne pas pouvoir résister à la force élastique de la lame 24.
Ce jeu est choisi de manière que la durée de temporisation, après l'écoulement de laquelle le contact se rouvre par recul du poussoir 26 dans sa position de repos, permette au moteur de faire tourner la roue 301 de l'angle requis pour que le creux qui avait actionné l'interrupteur 9 se soit échappé de ce dernier. Comme le contacteur temporisé 8 est connecté en parallèle à l'interrupteur 9, le retour du premier à sa position ouverte est sans influence sur l'alimentation du moteur, lequel poursuit sa rotation jusqu'à ce que le creux suivant de la roue 301 actionne à nouveau l'interrupteur 9.
Le schéma électrique de la fig. 1 1 rend ce fonctionnement évident sans autres commentaires. I1 convient de signaler l'intérêt que présente un tel contacteur pneumatique pour Ia sécurité de l'opérateur envers les risques inhérents à la manipulation de l'appareil dans des lo caux où il peut être exposé aux giclures et au mouillage par des liquides tels que l'eau. Cette sécurité permet notamment d'incorporer la poire 27 à la poignée 30 avec laquelle l'opérateur tient la pissette 31 qui termine le tuyau d'échappement.