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CA 02659514 2009-03-23
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Dispositif et procédé d'introduction d'air dans un
réservoir hydropneumatique
La présente invention concerne le domaine des
dispositifs d'introduction d'air dans un réservoir ou
réseau hydropneumatique équipant une canalisation
hydraulique, notamment, dans un réseau d'évacuation d'eaux
usées ou de liquides chimiques.
Un réservoir hydropneumatique peut être utilisé comme
réservoir anti-bélier d'une canalisation ou réseau
hydraulique afin de compenser les effets de dépression et
de surpression provoqués par exemple par un arrêt de pompe
ou la fermeture d'une vanne. Le fonctionnement d'un tel
réservoir est connu notamment par le document FR 2 416 417.
Dans un tel réservoir, l'eau ou le liquide sous pression
situé en partie inférieure est surmonté d'air ou de gaz
également sous pression et dont la quantité doit rester
sensiblement constante pour que le fonctionnement correct
de l'appareil soit assuré. En effet, s'il y a manque d'air,
la protection de la canalisation est insuffisante et, s'il
y a trop d'air, il y a risque d'échappement d'air dans
cette canalisation, ce qu'il faut éviter.
Le document EP 0 617 227 décrit un système de
régulation d'air pour réservoir hydropneumatique comprenant
une chambre d'introduction d'air qui peut être vidée par
une électrovanne d'évacuation. Une électrovanne d'admission
d'air dans la chambre est ouverte. Puis on ferme les deux
premières électrovannes et on ouvre une électrovanne de
remplissage pour chasser l'air vers le réservoir. Les
électrovannes sont commandées par un moyen de commande
relié à un détecteur qui émet un signal en cas de niveau
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d'eau supérieur au niveau du détecteur. Ce système
nécessite une alimentation électrique, ce qui peut s'avérer
coûteux dans des zones éloignées du réseau électrique et
occasionne la perte d'une certaine quantité de liquide, ce
qui n'est guère souhaitable en cas d'eau potable et est à
éviter évidemment dans le cas d'autres liquides.
Dans le domaine du pompage des eaux, même des eaux
usées chargées, la dissolution de l'air dans l'eau est
supérieure au dégagement gazeux. Il importe donc ce
compenser un déficit d'air.
Le document EP 0 895 020 décrit un dispositif
d'introduction d'air pour un réservoir hydropneumatique
dans lequel l'air est introduit dans une zone de faible
pression, tel qu'à l'amont d'une pompe, et ce par
l'ouverture d'une électrovanne. Les pertes de liquide sont
supprimées mais une alimentation électrique est nécessaire
et la commande del'introduction d'air se fait par capteurs
de niveau de liquide au contact de ce dernier si bien que
le fonctionnement peut être perturbé, par des dépôts en cas
de pompage d'eaux chargées.
La présente invention a pour but de remédier à ces
inconvénients.
La présente invention a pour but d'améliorer
l'introduction d'air dans un réservoir hydropneumatique.
La présente invention vise à pouvoir introduire une
quantité d'air adaptée lorsque le besoin s'en fait sentir.
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Le dispositif d'introduction d'air dans un réservoir
hydropneumatique comprend alors un capteur de la pression
dans le réservoir hydropneumatique, une vanne commandée par
un signal provenant du capteur et débouchant à l'air libre
d'un côté, un tube relié par une extrémité à la vanne et
par l'extrémité opposée à une canalisation reliée au
réservoir. Un premier clapet est disposé dans le tube pour
empêcher le passage de liquide dans le tube vers la vanne
et un deuxième clapet est disposé dans la canalisation
entre le réservoir et le tube. Le deuxième clapet est fermé
lorsqu'une pompe montée sur la canalisation est à l'arrêt
et ouvert lorsque la pompe démarre et fonctionne. On
bénéficie de la sorte d'une introduction d'air mécanique
déclenchée lorsque la pression d'air dans le réservoir
devient trop faible. La présence d'une alimentation
électrique n'est plus nécessaire.
La canalisation peut être une canalisation de fort
diamètre, par exemple comprise entre 100 et 2500mm, dont le
réservoir hydropneumatique assure la protection anti-
bélier. Le tube peut présenter un diamètre faible, de
l'ordre de quelques dizaines de millimètres, par exemple de
5 à 40mm.
Dans un mode de réalisation, la canalisation débouche
dans le réservoir à une altitude supérieure à celle à
laquelle le tube débouche dans la canalisation. On favorise
ainsi la migration de l'air introduit par le tube dans la
canalisation vers le réservoir.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend
un piège à air. Le piège à air permet de diriger l'air
introduit dans la canalisation vers le réservoir.
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Dans un mode de réalisation, le capteur comprend des
masses de réglage. On peut ainsi, lors de la mise en
service, effectuer un réglage fin adapté aux
caractéristiques réelles du réseau de liquide qui diffèrent
toujours quelque peu des caractéristiques nominales.
Dans un mode de réalisation, le capteur comprend au
moins un élément élastique de réglage, par exemple, un
ressort.
Dans un mode de réalisation, le capteur comprend un
piston et un cylindre, l'une étant fixe et l'autre mobile.
Une pièce de commande de la vanne peut être reliée à la
partie mobile. La liaison peut être assurée de façon
directe, par l'intermédiaire d'un levier, par exemple un
bras de levier articulé.
Dans un mode de réalisation, le capteur est relié à
la vanne par un bras de levier. Le bras de levier peut être
gradué. Des masses de réglage peuvent être disposées sur le
bras. On peut ainsi effectuer le réglage d'une façon
similaire à l'utilisation d'une balance romaine.
Dans une variante, la vanne est actionnable
électriquement. Le dispositif comprend une liaison
électrique avec le capteur.
Le dispositif peut comprendre un réglage de la durée
d'ouverture de la vanne. Le réglage peut être effectué sur
le capteur de pression ou relié au capteur de pression.
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Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend
un organe de pilotage temporisé entre l'ouverture et la
fermeture de la vanne.
5 Avantageusement, le capteur comprend un soufflet
disposé entre une plaque pleine et une plaque perforée. La
plaque perforée peut déboucher dans le réservoir. Une
chambre peut être définie entre le soufflet, la plaque
pleine et la plaque perforée. La plaque pleine peut être
disposée en position supérieure et la plaque perforée en
position inférieure, la vanne se présentant sous la forme
d'un obturateur disposé sur une surface supérieure de la
plaque pleine. L'obturation peut venir en contact avec un
orifice du tube.
Lorsque la pression dans la chambre du capteur égale
à la pression dans la partie remplie de gaz du réservoir
hydropneumatique est suffisamment élevée, l'obturateur
obture l'extrémité du tube. Lorsque cette pression devient
inférieure à un seuil de pression choisi, pouvant être
modifié par réglage, la plaque pleine s'affaisse entraînant
avec elle l'obturateur, qui dégage alors l'orifice du tube
par lequel peut circuler l'air. Si la pression de liquide
dans la canalisation est suffisante, le premier clapet
disposé sur le tube reste fermé. Si la pression dans la
canalisation diminue, alors ce clapet s'ouvre, l'air
provenant de l'atmosphère circule dans le tube en passant
par le clapet. Un certain volume d'air rentre alors dans la
canalisation. Puis lorsque la pression dans la canalisation
augmente à nouveau, par exemple au démarrage d'une pompe,
le premier clapet se ferme. L'air est chassé par le liquide
dans la canalisation vers le réservoir et s'introduit dans
le réservoir hydropneumatique, et est alors comprimé à la
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pression régnant dans la partie gazeuse du réservoir
hydropneumatique, c'est-à-dire, la partie supérieure.
On introduit ainsi de l'air dans le réservoir
hydropneumatique.
Si la quantité d'air introduite est toujours trop
faible, les phases ci-dessus recommencent, ce qui permet
une nouvelle introduction d'air. Au contraire, si la
pression dans le réservoir hydropneumatique reste
suffisante, alors la vanne reste fermée, indépendamment de
la position du premier clapet. Le deuxième clapet permet de
maintenir une pression de service du côté du réservoir
hydropneumatique. Le deuxième clapet se ferme lors d'un
arrêt de pompe et s'ouvre lors d'un démarrage de pompe ou
plus généralement lors d'une reprise de la circulation de
liquide dans la canalisation. L'air introduit dans la
canalisation en amont du deuxième clapet traverse alors le
deuxième clapet et est déplacé par le mouvement du liquide
vers le réservoir hydropneumatique.
Dans un mode de réalisation, le réservoir comprend un
tube intérieur s'étendant vers le bas à partir d'une
extrémité du réservoir. Le capteur est disposé dans le
tube.
L'invention concerne également un système
hydropneumatique à rechargement d'air comprenant un
réservoir hydropneumatique, une canalisation reliée au
réservoir et un dispositif d'introduction d'air tel que
décrit ci-dessus.
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Le système peut comprendre une pompe de circulation
du liquide dans la canalisation. Le deuxième clapet est
fermé lorsque la pompe est à l'arrêt et ouvert dès qu'elle
démarre et tant qu'elle fonctionne.
Avantageusement, la canalisation, allant de la pompe
au réservoir, est constamment montante.
Le procédé d'introduction d'air dans un réservoir
hydropneumatique relié à une canalisation munie d'une pompe
comprend des étapes de détection de la pression dans le
réservoir par un capteur, d'ouverture d'une vanne commandée
par le capteur en cas de pression insuffisante dans le
réservoir, la pompe étant à l'arrêt, un clapet de la
canalisation étant fermé ; la vanne étant ouverte, la
pression atmosphérique s'amorce dans le tube provoquant la
vidange de la canalisation ; lorsque la pompe redémarre, un
clapet disposé dans le tube se ferme sous la pression et
empêche la remontée de liquide dans le tube, l'air
introduit dans la canalisation étant refoulé dans le
réservoir, le clapet de la canalisation s'ouvrant.
On assure ainsi une introduction d'air par des moyens
mécaniques. On peut se passer d'alimentation électrique, ce
qui s'avère particulièrement économique.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude
de la description détaillée de quelques modes de
réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et
illustrés par les dessins annexés, sur lesquels
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ô
- la figure 1 est une vue schématique d'un système
hydraulique pourvu d'un dispositif d'introduction d'air
et,
- la figure 2 est une vue schématique d'un système
hydraulique pourvu d'un autre dispositif d'introduction
d'air.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif
d'introduction d'air est destiné à un réservoir
hydropneumatique 1 sous forme d'un ballon dont une partie
inférieure lb est connectée à une canalisation hydraulique
2. La partie inférieure lb du réservoir hydropneumatique 1
est en général remplie de liquide, en particulier de l'eau
et une partie supérieure la du réservoir hydropneumatique 1
est en général remplie de gaz, notamment de l'air. La
quantité de gaz présente en partie supérieure la du
réservoir hydropneumatique 1, doit être comprise entre une
limite inférieure et une limite supérieure en fonction des
dimensions du réservoir hydropneumatique 1, de la
canalisation et des pressions de service prévues. En cas de
manque de gaz, le réservoir hydropneumatique 1 n'assure pas
convenablement la protection du système hydraulique contre
les coups de bélier. Par ailleurs, la vidange du réservoir
hydropneumatique 1 risque de s'effectuer imparfaitement, ce
qui l'empêche de remplir sa fonction. En cas de présence
d'une quantité excessive de gaz, lors d'une vidange du
réservoir hydropneumatique 1, du gaz risque d'être envoyé
vers la canalisation.
Il se produit également des échanges entre le gaz et
le liquide, parfois par dégazage du liquide, et le plus
souvent, par dissolution du gaz dans le liquide. Pour y
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remédier, un dispositif d'introduction d'air est installé
en amont du réservoir 1 dans la canalisation 2 et en aval
d'une pompe d'alimentation 4 immergée dans une retenue
d'eau qui peut être un puits, un forage ou une bâche. Un
clapet de retenue 5 est associé à la pompe d'alimentation.
Le clapet 5 est installé sur la canalisation 2 entre la
pompe 4 et le réservoir 1. Le clapet 5 évite un retour
d'eau du réservoir 1 vers la pompe. Le dispositif
d'introduction d'air 3 comprend un capteur de pression 6
monté sur le réservoir 1 pour détecter la pression à
l'intérieur dudit réservoir 1. Le capteur de pression 6 est
monté sur la partie supérieure la du réservoir 1, de
préférence au sommet. Le capteur de pression 6 peut se
présenter sous la forme d'un pressostat.
Le capteur de pression 6 peut être relié à la partie
supérieure la du réservoir 1 par une portion de conduite 7
en vue de disposer le capteur de pression 6 au-dessus du
réservoir 1, limitant ainsi les risques de remontée de
liquide dans le capteur de pression 6.
Le dispositif d'introduction d'air 3 comprend un tube
8 de petit diamètre relativement au diamètre de la
canalisation hydraulique 2. Le tube 8 est relié à une
extrémité à la canalisation hydraulique 2 en amont du
clapet 5, par exemple à une faible distance dudit clapet 5.
L'extrémité opposée du tube 8 est reliée à une vanne 9
permettant de mettre en communication le tube 8 avec
l'atmosphère extérieure. La vanne 9 peut être de type
mécanique ou électromécanique. La vanne 9 est commandée par
un signal provenant du capteur de pression 6 par
l'intermédiaire d'un organe de pilotage 10 de type
mécanique. En d'autres termes, le capteur de pression 6
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génère un signal mécanique transmis par l'organe de
pilotage mécanique 10 à la vanne 9 commandée mécaniquement.
Le dispositif d'introduction d'air 3 comprend également un
clapet 11 disposé dans le tube 8, par exemple à proximité
5 de la jonction entre le tube 8 et la canalisation
hydraulique 2.
Le clapet 11 est prévu pour permettre une entrée
d'air provenant de la vanne 9 dans la canalisation
10 hydraulique 2 par l'intermédiaire du tube 8. Le clapet 11
empêche une fuite de liquide et de gaz lorsque la pression
dans la partie de la canalisation hydraulique 2 en amont du
clapet 5 est supérieure à la pression atmosphérique.
En d'autres termes, si la vanne 9 est fermée,
l'introduction d'air dans la canalisation hydraulique 2 est
interdite. La vanne 9 étant ouverte, l'introduction d'air a
lieu si la pression dans la canalisation hydraulique 2 en
amont du clapet 5 est inférieure à la pression
atmosphérique.
Par ailleurs, le clapet 5 est ouvert lors d'une
circulation de fluide vers le réservoir 1, notamment lors
d'un pompage. Le clapet 5 se ferme et reste fermé lorsque
la pression en amont devient inférieure et reste inférieure
à la pression en aval du clapet 5 qui est sensiblement
égale aux pertes de charge près à la pression dans le
réservoir 1.
Après l'introduction d'air dans la canalisation 2 en
amont du clapet 5, le clapet 11 se ferme lorsque la
pression en amont du clapet 5 devient supérieure à la
pression atmosphérique et la vanne 9 se ferme sur commande
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de l'organe de pilotage 10 dépendant de la pression dans le
réservoir 1 détecté par le capteur de pression 6. Lorsque
la pression en amont du clapet 5 devient supérieure à la
pression dans le réservoir hydropneumatique 1, ledit clapet
5 s'ouvre et l'air présent en amont dudit clapet 5 passe en
aval et atteint le réservoir 1 en y étant stocké dans la
partie supérieure la. On augmente ainsi la quantité d'air
présente dans le réservoir 1.
Généralement le clapet 5 est disposé à une altitude
inférieure à celle de la partie inférieure lb du réservoir
1, de telle sorte que l'introduction d'air ne puisse se
faire directement lorsque les pressions amont et aval par
rapport au clapet 5 dans la canalisation 2 sont inférieures
à la pression atmosphérique.
Le capteur de pression 6 peut se présenter sous la
forme d'un pressostat situé au sommet du réservoir. Dans
cette variante, le capteur est à distance du liquide,
contrairement à d'autres moyens de détection tels que
flotteurs électriques à basculement, électrodes, etc... peu
fiables car sujets à encrassement ou dépôts.
Le capteur 6 ouvre la vanne 9 si la pression lors de
la vidange du réservoir atteint une pression P minimum
réglée, correspondant à un déficit d'air. L'arrêt de la
pompe 4 entraîne la vidange du réservoir, le liquide qu'il
contient s'écoulant alors vers l'aval de la canalisation 2
et le clapet 5 étant fermé par la pression exercée par le
liquide du réservoir. Au démarrage suivant de la pompe, le
clapet 5 s'ouvre sous la poussée de l'eau pompée (et de
l'air éventuel), laissant l'écoulement s'effectuer vers
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l'aval, c'est-à-dire, dans le réservoir et la canalisation
2.
L'introduction d'air se fait sans nécessiter
l'installation d'un compresseur.
Pour que la vidange d'eau vers la bâche de pompage et
ensuite l'entrée de l'air ainsi introduit à sa place dans
le réservoir soient faciles, la canalisation 2 allant de la
pompe 4 au réservoir 1 est de préférence constamment
montante.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2,
le tube 8 est de faible longueur, par exemple, quelques
dizaines de centimètres et peut être une portion
sensiblement verticale dirigée vers le haut à partir de la
canalisation hydraulique 2. La vanne 9 peut être du type
électrovanne et est commandée par l'organe de pilotage 10
de type électrique formant interface de commande entre le
capteur de pression 6 et l'électrovanne 9. Le capteur de
pression 6 est alors configuré pour générer un signal
électrique qui est transmis à l'électrovanne 9, le cas
échéant après un traitement effectué par l'organe de
pilotage 10. Ce mode de réalisation requiert une liaison
électrique et par conséquent une alimentation électrique
qui peut parfois être assurée par un panneau solaire et une
batterie de stockage. Ce mode de réalisation s'avère
particulièrement adapté dans les cas où la distance entre
le réservoir 1 et le clapet 5 est relativement importante.
La distance entre le capteur 6 et le tube 8 peut être
assez longue puisque la liaison entre eux est uniquement
électrique. Si c'était nécessaire une minuterie pourrait
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être prévue afin de régler à volonté la durée d'ouverture
de l'électro-vanne ou de la prolonger au-delà de la
pression maximale de premier remplissage du réservoir après
sa première vidange.
Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, le
capteur de pression 6 ou pressostat commande l'ouverture de
la vanne à la pression Pmini et sa fermeture à une pression
supérieure. On peut ainsi maîtriser le temps d'ouverture et
augmenter la précision de fonctionnement. Enfin, si l'on ne
désire pas obtenir un instant de fermeture de
l'électrovanne au-delà du pic de pression maximale, la
fermeture de ladite électrovanne par le pressostat à une
pression inférieure ou égale à la pression maximale est
possible. En outre, l'organe de pilotage 10 peut comprendre
une temporisation enclenchée à l'ouverture de
l'électrovanne 9 et provoquant la fermeture de ladite
électrovanne à un instant choisi en fonction de la durée
écoulée depuis l'instant de fermeture. On parvient ainsi,
après un étalonnage, à une excellente précision sur la
quantité d'air introduite.
Pour la mise en fonctionnement du réservoir, on peut
prévoir une étape de prégonflage en disposant des capteurs
temporaires de niveau d'eau, par exemple sous la forme d'un
tube vertical transparent fixé sur deux valves prévues dans
la paroi du réservoir, l'une dans la zone en air et l'autre
dans la zone en eau. Les deux valves sont ouvertes et de
l'air comprimé est injecté par l'une d'elles jusqu'à ce que
le niveau de la surface air/eau corresponde à la valeur
souhaitée, soit un régime statique avec canalisation 2
pleine et pompe à l'arrêt, soit en régime permanent de
pompage. Le tube peut ensuite être enlevé en fin
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d'opération après fermeture des valves. La mise en service
du réservoir hydropneumatique est donc particulièrement
simple. Le fonctionnement du dispositif d'introduction
d'air peut faire l'objet d'un réglage fin sur place, lors
de la mise en service de l'installation.
Le dispositif d'introduction d'air peut être installé
sur des systèmes hydrauliques d'eaux usées ou d'eau claire.
Dans le cas du pompage d'eaux claires, avec pompes sans
clapet de pied, on prévoit l'élément de tube 8 avec son
clapet 11 mais sans l'électro-vanne 9. Une électro-vanne
est alors branchée directement sur la canalisation 2 près
de la pompe. Elle s'ouvre et se ferme comme le ferait
l'électro-vanne 9 mentionnée plus haut dans le texte.
Elle est ouverte et traversée par l'eau se vidangeant
lorsque la pompe est à l'arrêt et qu'un déficit d'air est
constaté. Elle se referme dès que la pompe démarre.
Ce mode de réalisation convient très bien au cas des
installations à arrêt/démarrages fréquents, notamment pour
le refoulement d'eaux usées. Le mode de réalisation avec
temporisation de fermeture de la vanne convient
particulièrement aux installations présentant un volume de
canalisation 2 important entre le clapet et le plan d'eau
dans la bâche de pompage et où les intervalles entre arrêt
et démarrage sont tels qu'ils permettent la vidange totale,
si nécessaire, de cette partie amont de la canalisation 2.
En d'autres termes, lors de la vidange du réservoir
anti-bélier, la détection d'un manque d'air est effectuée
par un capteur de pression 6 (qui peut se présenter sous la
forme d'un pressostat) situé au sommet du réservoir.
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L'arrêt de la pompe 4 entraîne la vidange du
réservoir, le liquide qu'il contient s'écoulant alors vers
l'aval de la canalisation 2 et le clapet 5 étant fermé par
la pression exercée par le liquide se vidangeant du
5 réservoir. Très généralement sur les installations de
pompage d'eaux usées, les pompes sont immergées dans une
bâche et ne comportent pas de clapet de pied, si bien qu'à
l'arrêt du pompage et si la vanne 9 est ouverte, le tube 8
permet à la pression atmosphérique de s'exercer dans tout
10 ce tube, le petit clapet 11 s'ouvrant alors. Ainsi la
partie de canalisation 2 située à l'amont du clapet 5 peut
commencer à se vider dans la bâche de pompage, à travers la
pompe 4.
15 Cette vidange de canalisation 2 dure tant que
- la vanne 9 n'est pas refermée par le capteur 6 ou une
minuterie. On peut ainsi régler le temps de vidange,
donc son volume.
- ou que la pompe 4 ne redémarre pas.
Le démarrage de pompe entraîne, d'une part, la
fermeture du clapet 11, ce qui évite une remontée de
liquide dans le tube 8 et, d'autre part, permet
l'introduction de l'air ayant pris la place du liquide
vidangé dans la canalisation 2 située en amont du clapet 5
qui est maintenant ouvert. Cet air est repoussé et entre
dans le réservoir équipé à sa base d'un piège à air 12
(d'autres formes de piège sont possibles), ce qui-vient
combler partiellement ou totalement le déficit constaté. Si
cet apport d'air est insuffisant l'opération sera répétée à
l'arrêt de pompe suivant. L'introduction d'air se fait
ainsi, sans nécessiter l'installation d'un compresseur.
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De plus, le système par capteur détectant une
pression minimum, réglée en fin de vidange du réservoir,
est fiable, comparé à une détection de manque d'air en
régime permanent de pompage par niveau électrique : poires,
électrodes ou sondes non en contact avec l'eau. En effet,
si la pression dans le réservoir en fin de premier
remplissage suivant sa vidange est supérieure à la pression
en régime permanent de pompage, cette détection électrique
l'interprétera à tort comme un déficit d'air.
L'invention s'applique aussi aux réservoirs de
régulation. Il suffit alors
= d'équiper les réservoirs de pressostats classiques,
non en contact avec le liquide, tarés aux pressions d'arrêt
et de démarrage des pompes,
= d'installer un détecteur électronique de niveau de
liquide agissant si, lors de l'arrêt d'une pompe commandée
par son pressostat, le niveau de liquide est supérieur à la
valeur normale, ce qui correspond à un déficit d'air. Ce
détecteur peut être une électrode en eaux claires ou, ce
qui est bien préférable car sans aucun contact avec le
liquide, du type ultra-sons, radar, repérage magnétique ou
encore pesée de l'ensemble réservoir plus liquide contenu,
etc.
= Le détecteur délivre alors un signal à la vanne
électrique 9 qui s'ouvre et se ferme comme dans le cas des
réservoirs anti-bélier.
