Préconcepts

La définition du besoin puis l’élaboration d’un cahier des charges sont suivis d’une étape d’identification de plusieurs voies technologiques possibles. Différents préconcepts ont été proposés et une analyse de chacune des solutions techniques a permis de ne garder que la solution la plus adaptée pour répondre au cahier des charges. Cette étude a aussi été réalisée par Lei Lui dans le cadre de son stage de fin d’étude en 2009.

Préconcept A : Piston

Figure _{4.2 –} Schéma du préconcept piston A. Voir table 4.1 pour la nomenclature.

La première solution, illustrée par le schéma 4.2, consiste en un réservoir à volume variable dont l’entrée dispose de trois électrovannes qui dirigent le flux d’air en fonction des phases de fonctionnement. Un piston (élément n◦_{4) présent dans le réservoir forme}

deux compartiments. Le compartiment à gauche (élément n◦_{3) correspond au réservoir}

de prélèvement et de l’autre coté, un volume sert au déplacement du piston. Le piston se déplace en fonction de la différence de pression entre ces deux compartiments. Une pompe à vide permet de faire le vide dans le volume complet (carter, élément n◦_{9) avec}

une première phase pour "aspirer" le piston contre une butée (n◦10) avant de faire le

vide dans le compartiment de l’échantillon. Le prélèvement est fait par ouverture de l’électrovanne de prélèvement puis sa fermeture. Lors de la période d’analyse la chute de pression dans le réservoir entraîne le déplacement du piston et est donc compensée.

La force de frottement du piston sur les parois ne peut être nulle ce qui implique que la pression dans le réservoir sera légèrement inférieure à la pression atmosphérique ou à la pression générée par compression. Le volume disponible pour l’échantillon est déterminé par le positionnement de la butée et donc réglable. L’idée est de doubler ce système pour assurer une alimentation en continu d’air vers l’analyseur grâce un fonctionnement alterné de la même façon que pour le prototype présenté en début de chapitre.

Les avantages que présenterait ce préconcept sont un volume d’échantillon réglable, une relative simplicité du système et un repositionnement automatique du piston pendant la vidange.

Les inconvénients sont une nécessité de maintenance pour le piston et le joint, et une fabrication spécifique du réservoir. Les difficultés sont de pouvoir minimiser les frottements entre la paroi du réservoir et le joint du piston pour faciliter l’équilibrage des pressions et le déplacement du piston et de maîtriser le débit de vidange pour le repositionnement du piston sans choc sur la butée.

Cette solution n’a pas été retenue car la force à exercer sur le joint du piston est difficile à déterminer. Il faut assurer l’étanchéité entre les deux compartiments sans augmenter la force de frottement pour ne pas gêner le déplacement du piston. L’idée d’utiliser une bouteille d’air comprimée ne peut aboutir étant donnée la grande consommation de gaz qu’elle implique.

4.3. DÉFINITION DU BESOIN ET CAHIER DES CHARGES 65 REP. NB. Désignation 12 1 Pompe à vide 11 1 Joint de piston 10 1 Butée filetée 9 1 Carter 8 1 Électrovanne à 3 voies 7 4 Rondelle plate 6 4 Joint d’étanchéité 5 4 Vis de fixation 4 1 Piston 3 1 Réservoir 1 L 2 1 Tuyauterie PTFE 1 3 Électrovanne à 2 voies

Table _{4.1 –} Nomenclature du préconcept piston pour le schéma 4.2.

Une alternative serait d’utiliser un ballon gonflable à l’intérieur du réservoir pour éviter de devoir réguler la pression. Le ballon se gonflerait lors de la chute de pression dans le réservoir pendant l’analyse. Cette alternative n’est pas non plus retenue car il n’a pas été possible de trouver un matériau inerte au COV et assez résistant pour assurer un grand nombre de cycles.

Préconcept B : Régulateur

Le préconcept régulateur consiste à utiliser un régulateur de pression du commerce en amont de l’analyseur. Cette solution implique l’utilisation d’un compresseur pour assurer une surpression en amont du régulateur (nécessaire à son fonctionnement). Le prélèvement se fait par aspiration dans les réservoirs qui ont préalablement été mis sous vide avec la pompe à vide. Les échantillons sont ensuite transférés dans un second réservoir tampon par le compresseur et mis sous pression. Le régulateur contrôle ensuite le transit vers l’analyseur. Le système est doublé pour fonctionner en alternance et assurer ainsi une alimentation continue vers l’analyseur (figure 4.3).

Les avantages de cette solution sont de ne pas avoir à faire de retouche mécanique sur les réservoirs et de n’utiliser que des pièces standards sans fabrication particulière. Les inconvénients sont une certaine complexité du système, des volumes morts importants et la nécessité de capturer des volumes largement supérieurs au volume du réservoir tam- pon pour être pressurisés. Cette complexité entraîne une rapidité médiocre et beaucoup d’éléments à contrôler pendant le fonctionnement.

La synchronisation du système en fonction des différents temps de réponse des éléments semble difficile pour cette solution. Il en est de même pour le choix du régulateur de pression et du compresseur dans le but d’assurer un débit suffisant pendant l’analyse. Cependant cette solution a été étudiée avec plus d’intérêt car elle ne fait intervenir que des composants de catalogue, ce qui facilite grandement la maintenance. La recherche de compresseur en matériaux inertes capables de garantir 10 s d’analyse a été infructueuse et la solution a été abandonnée.

Préconcept C : Vérin

Le troisième préconcept met en œuvre un vérin électrique. Comme pour les préconcepts précédents le système est doublé et composé de deux réservoirs dont chaque entrée est contrôlée par trois électrovannes. Dans un réservoir, un piston actionné par un vérin électrique se déplace et fait varier le volume du réservoir (voir schéma figure 4.4). Le prélèvement rapide se fait par l’ouverture de l’électrovanne de prélèvement lorsque le réservoir est sous vide. Pendant la période d’analyse la chute de pression due à l’aspiration de l’analyseur est compensée par le déplacement du piston mis en mouvement par le vérin électrique. À la fin de l’analyse le volume d’échantillon restant est chassé par le piston jusqu’à arriver en butée puis le piston est ramené à sa position initiale avec toutes les électrovannes fermées pour la mise sous vide à la façon d’une seringue dont l’entrée est bouchée.

Figure _{4.4 –} Schéma du préconcept C vérin.

Les avantages de ce préconcept sont de pouvoir contrôler précisément le volume du réservoir et de pouvoir repositionner le piston par actionnement du vérin. Ce système est

4.4. CONCEPTION ET MISE AU POINT DE MEDEE 67